DE60308909T2 - Kraftstoffeinspritzventil mit elektrischem verbinder - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zum Dosieren von unter Druck stehenden Strömungsmitteln, insbesondere ein Einspritzventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine.
  • Diese Dosiervorrichtung ist von einem Typ, der ein Gehäuse mit einer Dosieröffnung, deren Öffnen und Schließen durch die Bewegung einer axial beweglichen Ventilnadel gesteuert wird, eine axial ausfahrbare piezoelektrische Betätigungseinheit, die mit der Ventilnadel zum Steuern von deren Axialbewegung zusammenwirkt, eine thermische Kompensatoreinheit, die mit der piezoelektrischen Betätigungseinheit und dem Gehäuse zusammenwirkt, um eine unterschiedliche Wärmeausdehnung des Gehäuses und der piezoelektrischen Betätigungseinheit zu kompensieren, damit ein elastischer Kontakt zwischen einem Endanschlag des Gehäuses, der piezoelektrischen Betätigungseinheit und der Ventilnadel sichergestellt wird, und einen elektrischen Verbinder zum Zuführen von elektrischem Strom zur piezoelektrischen Betätigungseinheit umfasst.
  • Bei derartigen Dosiervorrichtungen werden das Gehäuse und die piezoelektrische Betätigungseinheit generell aus unterschiedlichen Materialien gefertigt und besitzen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Daher müssen spezielle Maßnahmen getroffen werden, um sicherzustellen, dass das Einspritzventil die an den Kraftstoffdurchsatz und die Geometrie des Strahles gestellten Anforderungen erfüllt. Insbesondere ist der Einfluss der Temperatur auf die Hauptfunktionsparameter des Einspritzventils von Bedeutung. Der Durchsatz und andere charakteristische Parameter müssen innerhalb von vorgegebenen Toleranzgrenzen über den gesamten Bereich der Betriebstemperaturen von –40 °C bis +150 °C verbleiben.
  • Da die piezoelektrische Betätigungseinheit generell einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als das äußere Gehäuse, hält sie keinen Hertz'schen Kontakt zwischen ihrer festen Endanschlagfläche und dem oberen Ende der Ventilnadel aufrecht.
  • Um dieses Problem zu lösen, ist das Einspritzventil in typischer Weise mit einer hydraulischen Thermokompensationseinheit versehen. Wenn die Betriebstemperatur ansteigt, beseitigt die Thermokompensationseinheit das Spiel, das sonst zwischen der Ventilnadel und der piezoelektrischen Betätigungseinheit erzeugt würde.
  • Aufgrund dieser Tatsache muss die elektrische Verdrahtung, die die Oberseite der piezoelektrischen Betätigungseinheit mit der Außenseite des Gehäuses des Einspritzventils verbindet, in entsprechender Weise die Axialbewegungen, d.h. die Ausdehnungen und Kontraktionen der Thermokompensatoruntergruppe, mit hoher Frequenz ermöglichen und trotzdem noch für eine zuverlässige elektrische Verbindung mit der piezoelektrischen Betätigungseinheit sorgen. Bei den gegenwärtigen Konstruktionen sorgt ein bipolarer und flexibler Draht, der aus dem Gehäuse des Einspritzventils tritt, für die elektrische Verbindung mit der piezoelektrischen Betätigungseinheit. Eine derartige Lösung kann jedoch nur für Testexemplare verwendet und nicht für die Standardfertigung von Einspritzventilen eingesetzt werden.
  • Eine weitere Dosiervorrichtung ist in der DE 197 15 487 A gezeigt.
  • Angesichts des vorhergehenden ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Dosiervorrichtung des vorstehend erwähnten Typs mit einem verbesserten elektrischen Verbinder zu schaf fen, der rasche Axialbewegungen des thermischen Kompensators ermöglicht.
  • Dieses Ziel wird mit einer Dosiervorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
  • Erfindungsgemäß sieht die Dosiervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 einen elektrischen Verbinder vor, der einen Verbinderkorpus umfasst, welcher einen ersten Satz von Stiften, die mit einer externen Stromquelle verbunden werden können, und einen zweiten Satz von Stiften, die elektrisch mit dem ersten Satz von Stiften verbunden sind und für einen elektrischen Kontakt mit der piezoelektrischen Betätigungseinheit sorgen, enthält, wobei der erste Satz von Stiften starr im Verbinderkorpus montiert ist und der zweite Satz von Stiften im Verbinderkorpus axial beweglich montiert ist, um eine rasche Axialbewegung der Thermokompensatoreinheit zu ermöglichen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat jeder der Stifte des ersten Satzes ein erstes Endstück und ein zweites Endstück, wobei die ersten Endstücke mit der externen Stromquelle verbunden werden können und die zweiten Endstücke an die axial beweglichen Stifte des zweiten Satzes elektrisch angeschlossen sind.
  • Es wird ferner bevorzugt, dass jeder der Stifte des zweiten Satzes ein erstes Endstück und ein zweites Endstück aufweist, wobei die ersten Endstücke für einen elektrischen Kontakt mit der piezoelektrischen Betätigungseinheit sorgen und die zweiten Endstücke fixiert und mit den zweiten Endstücken des ersten Satzes von Stiften elektrisch verbunden sind.
  • Die zweiten Endstücke des zweiten Satzes von Stiften können in vorteilhafter Weise mit den zweiten Endstücken des ersten Satzes von Stiften verschweißt oder hartverlötet sein.
  • Vorzugsweise besitzen die zweiten Endstücke des zweiten Satzes von Stiften einen flexiblen Biegebereich, der axiale Schwingungen der Stifte des zweiten Satzes ermöglicht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der flexible Biegebereich eine divergierende L-Form.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der elektrische Verbinder einen geformten Verbinderkorpus, der die Stifte mit Ausnahme ihrer ersten und zweiten Endstücke verkapselt.
  • Zwischen einem ersten und einem zweiten Stift des ersten Satzes der Stifte kann ein elektrischer Widerstand vorgesehen sein. Vorzugsweise ist der elektrische Widerstand zumindest teilweise durch den Verbinderkorpus verkapselt.
  • Es wird ferner bevorzugt, dass der Verbinderkorpus mindestens ein Befestigungsloch aufweist, um ein Befestigungselement zum Befestigen des Verbinderkorpus mit dem Gehäuse der Dosiervorrichtung aufzunehmen. Eine oder mehrere Schrauben oder andere Befestigungselemente können dann in die Befestigungslöcher eingesetzt werden, um den Verbinderkorpus in einfacher und lösbarer Weise am Gehäuse zu befestigen.
  • Zusätzlich oder alternativ hierzu kann der Verbinderkorpus mindestens einen Metalleinsatz aufweisen, der mit dem Gehäuse der Dosiervorrichtung verschweißt werden kann. Eine derartige Schweißverbindung sorgt für eine stabile und haltbare Verbindung.
  • Des Weiteren können der Verbinderkorpus und das Gehäuse der Dosiervorrichtung entsprechende Eingriffseinrichtungen zur Befestigung des elektrischen Verbinders am Gehäuse der Dosiervorrichtung besitzen. Dieses Verfahren ermöglicht eine einfache und rasche Verbindung des Verbinders mit dem Gehäuse der Vorrichtung.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektrische Verbinder mit einer Schutzkappe versehen, die den Axialschwingungsbereich der zweiten Endstücke des zweiten Satzes von Stiften über einer Auslassfläche des Verbinderkorpus schützt.
  • Die Schutzkappe ist vorzugsweise mit einer oberen Fläche des Verbinderkorpus ultraschallverschweißt, um für eine sichere und feste Verbindung zu sorgen.
  • Um die Isolierung gegenüber Wasser und Verunreinigungen, wie Benzin, zu verbessern, ist ein Dichtungselement zwischen dem Verbinderkorpus und dem Gehäuse der Dosiervorrichtung vorgesehen. Vorzugsweise wird das Dichtungselement von einem Dichtungsring, wie einem O-Ring, gebildet.
  • Es können auch andere Dichtungselemente zwischen dem Korpus und einem elektrischen Adapter vorgesehen sein, um zu verhindern, dass Verunreinigungen während des Eichprozesses in das Gehäuse des Einspritzventils eindringen, wenn die Schutzkappe noch nicht vorhanden ist. Bei den meisten Ausführungsformen ist jedoch während des Eichprozesses die Kappe bereits mit dem Gehäuse ultraschallverschweißt.
  • Zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Vorteilen werden folgende Vorteile von den technischen Merkmalen der Erfindung erzielt:
    • – es ist keine Überformung erforderlich, da während des Formprozesses keine Komponenten überformt werden müssen;
    • – das Einspritzventil kann in einfacher Weise montiert werden;
    • – es gibt verschiedene Wege zum Fixieren des elektrischen Verbinders am Gehäuse;
    • – es ist möglich, unterschiedliche Arten von Widerständen einzusetzen; und
    • – es ist kein Eindringen von Wasser, Benzin oder Dampf möglich.
  • Die Konstruktion der Erfindung sowie deren Betriebsweise zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen der Erfindung sind am besten verständlich aus der nachfolgenden Beschreibung von speziellen Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Hiervon zeigen:
  • 1 eine schematische Axialschnittansicht eines Einspritzventils mit einem elektrischen Verbinder gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 eine perspektivische Ansicht des elektrischen Verbinders der 1; und
  • 3 eine Seitenansicht des elektrischen Verbinders der 1.
  • 1 zeigt ein Einspritzventil für Benzinmotoren mit Direkteinspritzung, das generell mit 10 bezeichnet ist. Das Einspritzventil besitzt ein Gehäuse 12, das ein äußeres rohrförmiges Element 14 und ein inneres rohrförmiges Element 16 aufweist.
  • Das äußere rohrförmige Element 14 bildet die äußere Umhüllung des Einspritzventils 10, und das innere rohrförmige Element 16 enthält die piezoelektrische Betätigungseinheit 18 und die Thermokompensatoruntergruppe 20. Der zwischen dem äußeren rohrförmigen Element 14 und dem inneren rohrförmigen Element 16 gebildete Durchgang 22 sieht eine große ringförmige Bahn vor, die das von einem Eintrittskanal an Benzinzutrittslöcher und in den Auslasskanal 24 des Einspritzventils 10 gelieferte Benzin fördert.
  • Zum Öffnen des Einspritzventils 10, um Benzin in den Motorzylinder einzuspritzen, wird eine Erregungsspannung von einem elektrischen Verbinder 30, der nachfolgend im einzelnen beschrieben wird, an die piezoelektrische Betätigungseinheit 18 gelegt. In Abhängigkeit von dieser Erregungsspannung vergrößert sich die Länge des piezoelektrischen Betätigungselementes 18 um einen vorgegebenen Betrag in Axialrichtung, typischerweise um etwa 10 oder einige 10 μm. Diese Verlängerung wird auf eine Ventilnadel 26, die im Auslasskanal 24 angeordnet ist, übertragen, wodurch eine Vorspannfeder niedergedrückt und von ihrem Sitz abgehoben wird. In dieser Position beginnt das Einspritzen von unter Druck stehendem Benzin in den Zylinder.
  • Wenn die vom elektrischen Verbinder 30 zugeführte Erregungsspannung abgeschaltet wird, nimmt die Länge der piezoelektrischen Betätigungseinheit 18 in Axialrichtung auf ihren Normalwert ab, wodurch der Vorspanndruck der Schraubenfeder die Ventilnadel 26 zurück in ihre Schließposition drückt.
  • Der Thermokompensator 20 ist vorgesehen, um die Position der piezoelektrischen Betätigungseinheit 18 während rascher Änderungen seiner Länge zu fixieren, jedoch langsame Änderungen in der Position der piezoelektrischen Betätigungseinheit 18 beispielsweise infolge von thermischen Änderungen zu kompensieren.
  • 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des elektrischen Verbinders 30 der 1 im Detail. Der Verbinder 30 enthält einen Verbinderkorpus 32 aus Kunststoff und einen ersten Satz von Stiften, die starr im Verbinderkorpus 32 montiert sind und erste Endstücke 34A, 34B sowie zweite Endstücke 36A, 36B zum Anschließen an eine externe Stromquelle aufweisen. Der elektrische Verbinder 30 enthält ferner einen zweiten Satz von Stiften mit ersten Endstücken, um für einen elektrischen Kontakt mit der piezoelektrischen Betätigungseinheit 18 zu sorgen, und mit zweiten Endstücken 38A, 38B, die an den zweiten Endstücken 36A, 36B des ersten Satzes von Stiften befestigt und hiermit elektrisch verbunden sind.
  • Der Verbinderkorpus 32 aus Kunststoff wird in einem frühen Stadium des Herstellprozesses des elektrischen Verbinders 10 geformt. Während dieses Prozesses wird der Hauptteil der elektrischen Stifte im Kunststoffmaterial verkapselt. Nur die ersten und zweiten Endstücke stehen aus dem Kunststoffkörper 32 vor, wie in 2 gezeigt.
  • Die zweiten Endstücke 38A und 38B des zweiten Satzes von Stiften sind mit den zweiten Endstücken 36A und 36B des ersten Satzes von Stiften verschweißt. Ferner besitzen die zweiten Endstücke 38A und 38B des zweiten Satzes von Stiften jeweils einen flexiblen Biegebereich in der Form eines divergierenden „L", der sich von der Auslassöffnung 40 im Verbinderkorpus 32 bis zum Schweißbereich erstreckt, an dem die Endstücke 38A und 38B mit den zweiten Endstücken 36A und 36B des ersten Satzes von Stiften verbunden sind.
  • Die flexiblen Biegebereiche ermöglichen Axialschwingungen der piezoelektrischen Betätigungseinheit 18 und des zweiten Satzes von Stiften, die die piezoelektrische Betätigungseinheit 18 kontaktieren, mit einer Amplitude von etwa 10 μm. Über diese Schwingungen halten sie einen stabilen und zuverlässigen elektrischen Kontakt zwischen der piezoelektrischen Betätigungseinheit 18, dem zweiten Satz von Stiften und dem ersten Satz von Stiften aufrecht.
  • Ein elektrischer Widerstand 44, beispielsweise ein Widerstand von 200 kOhm, ist mit den Klemmen des ersten Satzes von Stiften verschweißt oder hartverlötet. Wie in 2 gezeigt, ist der Widerstand 44 ferner teilweise im Kunststoffkorpus 32 des Verbinders verkapselt.
  • Der Verbinderkorpus 32 besitzt des Weiteren zwei Befestigungslöcher 42, in die zwei Schrauben eingesetzt werden können, um den modularen Verbinder 30 am Gehäuse 12 des Einspritzventils 10 zu befestigen.
  • Um freie Axialschwingungen der zweiten Stifte mit ihrer divergierenden L-Form, die von ihrer Auslassöffnung 40 durch einen Klemmenadapter vorstehen, zu ermöglichen und einen ausreichenden Raum für die Biegung in ihren flexiblen Biegebereichen vorzusehen, befindet sich ein freier Raum über der Auslassfläche des Verbinderkorpus 32. Dieser freie Raum wird von einer Schutzkappe 46 verkapselt, wie in der Seitenansicht der 3 gezeigt.
  • Die Schutzkappe 46 ist mit dem Verbinderkorpus 32 ultraschallverschweißt und schützt den freien Raum über den flexiblen Biegebereichen der zweiten Stifte gegenüber Umweltverunreinigungen, wie Wasser oder Benzin.
  • Um ein mögliches Eindringen in das Einspritzventil zu verhindern, beispielsweise ein Eindringen durch das zwischen dem modularen Verbinder 10 und dem Gehäuse 12 vorhandene Spiel oder zwischen der Schutzkappe 46 und dem modularen Verbinderkorpus, können zur Isolierung Abdichtungselemente, wie O-Ringe, eingesetzt werden.

Claims (16)

  1. Dosiervorrichtung zum Dosieren von unter Druck stehenden Strömungsmitteln, insbesondere Einspritzventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit – einem Gehäuse (12) mit einer Dosieröffnung, deren Öffnen und Schließen durch die Bewegung einer axial beweglichen Ventilnadel (26) gesteuert wird, – einer axial verlängerbaren piezoelektrischen Betätigungseinheit (18), die mit der Ventilnadel (26) zum Steuern von deren Axialbewegung zusammenwirkt, – einer Thermokompensatoreinheit (20), die mit der piezoelektrischen Betätigungseinheit (18) und dem Gehäuse (12) zusammenwirkt, um eine unterschiedliche Wärmeausdehnung des Gehäuses (12) und der piezoelektrischen Betätigungseinheit (18) zu kompensieren und einen elastischen Kontakt zwischen einem Endanschlag des Gehäuses (12), der piezoelektrischen Betätigungseinheit (18) und der Ventilnadel (26) sicherzustellen, und – einem elektrischen Verbinder (30) zum Zuführen von elektrischem Strom zur piezoelektrischen Betätigungseinheit (18), wobei der elektrische Verbinder (30) einen Verbinderkorpus (32) umfasst, der enthält: – einen ersten Satz von Stiften (34A, 34B, 36A, 36B), die an eine externe Stromversorgung angeschlossen werden können, und – einen zweiten Satz von Stiften (38A, 38B), die elektrisch an den ersten Satz von Stiften (34A, 34B, 36A, 36B) angeschlossen sind und für einen elektrischen Kontakt mit der piezoelektrischen Betätigungseinheit (18) sorgen, wobei – der erste Satz von Stiften (34A, 34B, 36A, 36B) starr im Verbinderkorpus (32) montiert ist und der zweite Satz von Stiften (38A, 38B) axial beweglich im Verbinderkorpus (32) montiert ist, um eine rasche Axialbewegung der Thermokompensatoreinheit (20) zu ermöglichen.
  2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Stifte des ersten Satzes ein erstes Endstück (34A, 34B) und ein zweites Endstück (36A, 36B) aufweist, wobei die ersten Endstücke (34A, 34B) an die externe Stromquelle angeschlossen werden können und die zweiten Endstücke (36A, 36B) elektrisch an die axial beweglichen Stifte des zweiten Satzes von Stiften angeschlossen sind.
  3. Dosiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Stifte des zweiten Satzes ein erstes Endstück und ein zweites Endstück (38A, 38B) aufweist, wobei die ersten Endstücke für einen elektrischen Kontakt mit der piezoelektrischen Betätigungsein heit (18) sorgen und die zweiten Endstücke (38A, 38B) fest und elektrisch an die zweiten Endstücke (36A, 36B) des ersten Satzes von Stiften angeschlossen sind.
  4. Dosiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Endstücke (38A, 38B) des zweiten Satzes von Stiften mit den zweiten Endstücken (36A, 36B) des ersten Satzes von Stiften verschweißt oder hartverlötet sind.
  5. Dosiervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Endstücke (38A, 38B) des zweiten Satzes von Stiften einen flexiblen Biegebereich aufweisen, der Axialschwingungen des zweiten Satzes von Stiften ermöglicht.
  6. Dosiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Biegebereich eine divergierende L-Form besitzt.
  7. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Ver-binder (30) einen geformten Verbinderkorpus (32) aufweist, der die Stifte mit Ausnahme ihrer ersten und zweiten Endstücke (34A, 34B, 36A, 36B, 38A, 38B) verkapselt.
  8. Dosiervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Widerstand (44) zwischen einen ersten Stift und einen zweiten Stift (36A, 36B) des ersten Satzes von Stiften geschaltet ist.
  9. Dosiervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (44) mindestens teilweise im Verbinderkorpus (32) verkapselt ist.
  10. Dosiervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinderkorpus (32) mindestens ein Befestigungsloch (42) zur Aufnahme eines Befestigungselementes zum Befestigen des Verbinderkorpus (32) am Gehäuse (12) der Dosiervorrichtung aufweist.
  11. Dosiervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinderkorpus (32) mindestens einen Metalleinsatz aufweist, der mit dem Gehäuse (12) der Dosiervorrichtung verschweißt werden kann.
  12. Dosiervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinderkorpus (32) und das Gehäuse (12) der Dosiervorrichtung entsprechende Eingriffseinrichtungen zur Befestigung des elektrischen Verbinders (10) am Gehäuse (12) der Dosiervorrichtung aufweisen.
  13. Dosiervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbinder (30) mit einer Schutzkappe (46) versehen ist, die den Axialschwingungsbereich der zweiten Endstücke (38A, 38B) des zweiten Satzes von Stiften über einer Auslassfläche des Verbinderkorpus (32) schützt.
  14. Dosiervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzkappe (46) mit dem Verbinderkorpus (32) ultraschallverschweißt ist.
  15. Dosiervorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtungselement zwischen dem Verbinderkorpus (32) und dem Gehäuse (12) der Dosiervorrichtung vorgesehen ist.
  16. Dosiervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement von einem Dichtungsring gebildet wird.
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