EP1421271B1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

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EP1421271B1
EP1421271B1 EP02740381A EP02740381A EP1421271B1 EP 1421271 B1 EP1421271 B1 EP 1421271B1 EP 02740381 A EP02740381 A EP 02740381A EP 02740381 A EP02740381 A EP 02740381A EP 1421271 B1 EP1421271 B1 EP 1421271B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel injection
injection valve
actuator
piston
valve according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02740381A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1421271A1 (de
Inventor
Andreas Eichendorf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1421271A1 publication Critical patent/EP1421271A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1421271B1 publication Critical patent/EP1421271B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/08—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series the valves opening in direction of fuel flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve according to the preamble of the main claim.
  • a hydraulic coupler for a piezoelectric actuator in which the actuator transmits a lifting force to a master piston.
  • the master piston is positively connected to a guide cylinder for a slave piston.
  • the slave piston, the guide cylinder and the master cylinder finalizing the master cylinder form a hydraulic chamber.
  • a spring is arranged, which presses apart the master piston and the slave piston.
  • a rubber sleeve Arranged around an end section of the guide cylinder and the slave piston is a rubber sleeve, through which a reservoir for a viscous hydraulic fluid is sealed against a fuel chamber. The viscosity of the hydraulic fluid is adapted to the annular gap between slave piston and guide cylinder.
  • the slave piston mechanically transfers a lifting movement to, for example, a valve needle.
  • the actuator transmits a stroke movement to the master piston and the guide cylinder
  • this stroke movement is transmitted to the slave piston by the pressure of the hydraulic fluid in the hydraulic chamber, since the hydraulic fluid in the hydraulic chamber is not can compress and only a small proportion of the hydraulic fluid can escape through the annular gap during the short period of a stroke in the reservoir formed by the rubber sleeve.
  • the slave piston In the resting phase, when the actuator exerts no pressure force on the master piston, the slave piston is pushed out of the guide cylinder by the spring and by the resulting negative pressure penetrates through the annular gap, the hydraulic fluid in the hydraulic chamber and fills it again.
  • the coupler automatically adjusts to length expansions and pressure-related expansions of a fuel injection valve.
  • a disadvantage of the known prior art is that the seal is permanently incomplete by a rubber sleeve, which is usually pressed by two clamping rings against the end portion of the guide cylinder and the slave piston.
  • the high viscosity hydraulic fluid and the fuel may mix and failure of the coupler may occur. If fuel, such as gasoline, enters the interior of the coupler, it may lead to malfunction, since due to the low viscosity of gasoline, this liquid can pass through the annular gap too quickly and can build up in the pressure chamber pressure during the time of the stroke.
  • the known prior art also offers no solution to how the piezoelectric actuator can be protected from contact with fuel, in particular gasoline.
  • a fuel injection valve with a piezoelectric actuator which is connected to a large-scale pressure piston.
  • This pressure piston is biased against the piezoelectric actuator with a plate spring, which is supported against a fuel injection valve body.
  • the pressure piston is guided in a bore of the valve body and has a central bore in which a slave piston is guided, which is connected to a valve needle.
  • a spring In the bore of the plunger, between the bottom of the bore and the slave piston, there is a spring, which biases the slave piston toward a valve seat and pushes out of the bore.
  • the fuel injection valve has a valve needle which opens inwards. Between the fuel injection valve body and the pressure piston and the opposite side of the slave piston is a pressure chamber.
  • the pressure chamber communicates with the actuator chamber via the annular gap between slave piston and pressure piston, the bore in the pressure piston and a connecting bore.
  • the actuator chamber serves as a reservoir for a hydraulic fluid.
  • a disadvantage of this known prior art is that no solution for an outwardly opening fuel injection valve is made possible. Furthermore, it is disadvantageous that no devices for fast refilling of the pressure chamber are provided after returning to the rest position. Finally, the structure is multi-part and complicated, since a pressure piston, which is guided in the fuel injection valve in an exact bore, again must have a bore to be produced exactly for the slave piston.
  • the fuel injection valve according to the invention with the characterizing features of the main claim has the opposite advantage that can be achieved by the movable diaphragm secure sealing of the actuator chamber relative to the fuel chamber. Furthermore, it is advantageous that a fast refilling of the pressure chamber after return of the piezoelectric actuator in its initial position and after return of the slave piston in its initial position and thus resulting volume increase of the pressure chamber is carried out by the check valve. The resulting negative pressure becomes the check valve opened and the hydraulic fluid flows quickly and quickly into the pressure chamber.
  • the movable diaphragm can be permanently sealed, for example when it is a thin metal diaphragm which can be secured by welds both to the slave piston and to a fuel injector body.
  • the sealing lines themselves are therefore no movable sealing lines and permanently sealed for life.
  • the required mobility occurs solely from the elasticity of the membrane. It is particularly advantageous that the membrane does not interfere with the mobility of the slave piston, as in the actuator chamber and in the fuel chamber, the same pressure prevails and the membrane moves by their deformability in such a position that they themselves do not have to absorb forces from occurring pressure differences ,
  • the piezoelectric actuator is thus safely protected from contact with the fuel and can be cooled by the high-viscosity hydraulic fluid at the same time, as well as being protected against wear by contact friction with the housing of the fuel injection valve.
  • the slave piston as well as the master piston can be formed as a deep-drawn part of sheet metal.
  • At least one partial section of the annular gap is between master piston or slave piston and a guide cylinder in the installed position of the fuel injection valve in the rising direction of any gas bubbles, arranged at the highest point of the pressure chamber.
  • the slave piston is sealingly and non-positively connected to the guide cylinder.
  • the guide cylinder consists of a deep-drawn sheet metal part or a pipe section, which is sealingly connected to the slave piston by welding, creating a simple component.
  • the master piston is guided in this cup-like component.
  • a path ratio can be effected and the low stroke of a piezoelectric actuator can be translated in a larger travel.
  • the check valve is a ball check valve whose valve seat is formed on the master piston.
  • a ball check valve is inexpensive to manufacture and can be well placed in the pressure chamber with a small size.
  • a silicone oil is used as the hydraulic fluid.
  • An actuator spring may be formed as a spiral spring and enclose the hydraulic coupler.
  • the necessary biasing force on the actuator can thus be effected in a space-saving arrangement.
  • the membrane has a wavy contour in a radial section.
  • Fig. 1 shows schematically a section of a fuel injection valve 1, wherein the region of a piezoelectric or magnetostrictive actuator 2 and an actuator chamber 3, which communicates via a connecting bore 4 with a lower actuator chamber 5, are shown.
  • the actuator 2 is arranged in an actuator chamber housing 6, which is bounded by a closure plate 7.
  • electrical connections 9 are passed and sealed by an O-ring 10.
  • the actuator 1 is driven by an electrical voltage.
  • An actuator spring 11 is supported on an intermediate disc 12 and presses an actuator head 13 against the actuator 2 so that it comes into contact with the closure plate 7.
  • On the actuator head 13 is located on a master piston 14 which is guided in a guide cylinder 15.
  • the guide cylinder 15 is sealingly and non-positively connected to a slave piston 16 by a weld 17.
  • a coupler spring 18 exerts on the master piston 14 a biasing force which seeks to drive the master piston 14 out of the guide cylinder 15.
  • the master piston 14, the guide cylinder 15, the slave piston 16 and the coupler spring 18 form the coupler 19.
  • a check ball 20 is arranged, which is pressed by a check spring 21 and a guide sleeve 22 against a valve seat 23 into the master piston 14 ,
  • the check ball 20, the return spring 21 and the sealing seat 23 form a check valve 24.
  • the hydraulic fluid can pass from the upper actuator chamber 3 to the valve sealing seat 23 of the check valve 24.
  • the coupler 19 is guided with its guide cylinder 15 in a bore 26 of the washer 12.
  • a diaphragm 29 is sealingly connected to the washer 12 and via an inner weld 28, the same membrane 29 is sealingly connected to the slave piston 16.
  • the membrane 29 separates a fuel chamber 30 from the lower actuator chamber 5. Since the lower actuator chamber 5 is connected via the connecting bore 4 with the upper actuator chamber 3, prevails in the upper actuator chamber 3, the lower actuator chamber 5 and the fuel chamber 30, the same pressure the membrane 29 deformed so far until pressure equalization is established.
  • the diaphragm 29 also follows the movement of the slave piston 16, and further radially outwardly disposed parts of the diaphragm 29 perform an opposite movement, so that also the pressure balance between the lower actuator chamber 5 and the fuel chamber 30 is maintained during a lifting movement of the slave piston 16.
  • the lifting movement of the slave piston 16 is not or only slightly prevented or influenced by the diaphragm 29.
  • the slave piston 16 transmits a possible lifting movement to a valve needle 31st
  • the actuator 2 When a voltage is applied to the actuator 2 via the electrical supply line 9, the actuator 2 exerts on the actuator head 13 a lifting movement, which continues to be transmitted to the master piston 14 of the coupler 19.
  • the master piston 14 is pressed into the interior of the guide cylinder 15 which is formed with the slave piston 16 as a one-piece deep-drawn part.
  • the hydraulic fluid inside a pressure chamber 32 formed by the slave piston 16, the guide cylinder 15 and the master piston 14 is a highly viscous liquid, such as a silicone oil, almost non-compressible.
  • the properties of the silicone oil for the coupler and the use in the actuator chamber 3 can be optimized.
  • it can be achieved by setting a suitable viscosity that the components of the master piston 14, the guide cylinder 15 and the slave piston 16 can be designed as inexpensive to be produced deep-drawing plates, which require relatively large gap dimensions.
  • the described embodiment of a fuel injection valve 1 according to the invention further enables a secure sealing of the actuator 2 relative to the fuel chamber 30, since the sealing membrane 29 does not have to absorb pressure forces.
  • the silicone oil exerts a damping effect both on the actuator 2 as well as all other moving parts. Due to the high actuation rate of fuel injection valves 1, which is necessary in modern internal combustion engines, vibrations can occur, which are effectively damped.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
  • Aus der EP 0 477 400 A1 ist ein hydraulischer Koppler für einen piezoelektrischen Aktor bekannt, bei der der Aktor eine Hubkraft auf einen Geberkolben überträgt. Der Geberkolben ist mit einem Führungszylinder für einen Nehmerkolben kraftschlüssig verbunden. Der Nehmerkolben, der Führungszylinder und der den Führungszylinder abschließende Geberkolben bilden eine Hydraulikkammer. In der Hydraulikkammer ist eine Feder angeordnet, die den Geberkolben und den Nehmerkolben auseinander drückt. Um einen Endabschnitt des Führungszylinders und den Nehmerkolben ist eine Gummimanschette angeordnet, durch die ein Vorratsraum für ein viskoses Hydraulikfluid gegenüber einem Brennstoffraum abgedichtet wird. Die Viskosität des Hydraulikfluids ist dem Ringspalt zwischen Nehmerkolben und Führungszylinder angepaßt.
  • Der Nehmerkolben überträgt eine Hubbewegung mechanisch auf beispielsweise eine Ventilnadel. Wenn der Aktor auf den Geberkolben und den Führungszylinder eine Hubbewegung überträgt, wird diese Hubbewegung durch den Druck des Hydraulikfluids in der Hydraulikkammer auf den Nehmerkolben übertragen, da das Hydraulikfluid in der Hydraulikkammer sich nicht zusammenpressen läßt und nur ein geringer Anteil des Hydraulikfluids durch den Ringspalt während des kurzen Zeitraumes eines Hubes in den durch die Gummimanschette gebildeten Vorratsraum entweichen kann. In der Ruhephase, wenn der Aktor keine Druckkraft auf den Geberkolben ausübt, wird durch die Feder der Nehmerkolben aus dem Führungszylinder herausgedrückt und durch den entstehenden Unterdruck dringt über den Ringspalt das Hydraulikfluid in den Hydraulikraum ein und füllt diesen wieder auf. Dadurch stellt sich der Koppler automatisch auf Längenausdehnungen und druckbedingte Dehnungen eines Brennstoffeinspritzventils ein.
  • Nachteilig an dem bekannten Stand der Technik ist, daß die Abdichtung durch eine Gummimanschette, die üblicherweise durch zwei Spannringe gegen den Endabschnitt des Führungszylinders und den Nehmerkolben gedrückt wird, auf Dauer nur unvollständig ist. Das hochviskose Hydraulikfluid und der Brennstoff können sich vermischen und es kann zu einem Ausfall des Kopplers kommen. Wenn Brennstoff, beispielsweise Benzin, in das Innere des Kopplers gelangt, so kann es zum Funktionsausfall kommen, da aufgrund der geringen Viskosität des Benzins diese Flüssigkeit zu schnell durch den Ringspalt hindurchtreten kann und sich in der Zeit des Hubes kein Druck im Druckraum aufbauen kann.
  • Der bekannte Stand der Technik bietet auch keine Lösung dafür an, wie der Piezoaktor vor dem Kontakt mit Brennstoff, insbesondere Benzin, geschützt werden kann.
  • Aus der DE 43 06 073 C1 ist ein Brennstoffeinspritzventil mit einem Piezoaktor bekannt, der mit einem großflächigen Druckkolben verbunden ist. Dieser Druckkolben wird mit einer Tellerfeder, die sich gegen ein Brennstoffeinspritzventilkörper abstützt, gegen den piezoelektrischen Aktor vorgespannt. Der Druckkolben ist in einer Bohrung des Ventilkörpers geführt und weist eine zentrale Bohrung auf, in der ein Nehmerkolben geführt ist, der mit einer Ventilnadel verbunden ist. In der Bohrung des Druckkolbens, zwischen dem Grund der Bohrung und dem Nehmerkolben, befindet sich eine Feder, die den Nehmerkolben in Richtung auf einen Ventilsitz vorspannt und aus der Bohrung herausdrückt. Das Brennstoffeinspritzventil weist eine Ventilnadel auf, die nach innen öffnet. Zwischen dem Brennstoffeinspritzventilkörper und dem Druckkolben sowie der Gegenseite des Nehmerkolbens befindet sich ein Druckraum. Über den Ringspalt zwischen Nehmerkolben und Druckkolben, die Bohrung in dem Druckkolben und eine Verbindungsbohrung steht der Druckraum mit dem Aktorraum in Verbindung. Der Aktorraum dient dabei als Vorratsraum für ein Hydraulikfluid. Wenn der Piezoaktor durch Anlegen einer Spannung betätigt wird, wird der Druckkolben in Richtung auf den Ventilsitz bewegt und durch die Erhöhung des Drucks des Hydraulikfluids im Druckraum der Nehmerkolben in die Bohrung in den Druckkolben entgegen zu dessen Bewegungsrichtung gedrückt und somit eine Ventilnadel aus dem Ventilsitz angehoben.
  • Nachteilig an diesem bekannten Stand der Technik ist, daß keine Lösung für ein nach außen öffnendes Brennstoffeinspritzventil ermöglicht wird. Weiterhin ist nachteilig, daß keine Vorrichtungen zum schnellen Wiederbefüllen des Druckraums nach Rückkehr in die Ruhelage vorgesehen sind. Schließlich ist der Aufbau mehrteilig und kompliziert, da ein Druckkolben, der in dem Brennstoffeinspritzventil in einer exakten Bohrung geführt wird, wiederum eine exakt zu fertigende Bohrung für den Nehmerkolben aufweisen muß.
    • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß durch die bewegliche Membran eine sichere Abdichtung des Aktorraums gegenüber dem Brennstoffraum erreicht werden kann. Weiterhin ist vorteilhaft, daß durch das Rückschlagventil eine schnelle Wiederbefüllung des Druckraumes nach Rückkehr des Piezoaktors in seine Ausgangslage sowie nach Rückkehr des Nehmerkolbens in seine Ausgangslage und somit entstehender volumenvergrößerung des Druckraums erfolgt. Durch den entstehenden- Unterdruck wird das Rückschlagventil geöffnet und das Hydraulikfluid fließt schnell und rasch in den Druckraum nach. Die bewegliche Membran kann vorteilhaft dauerhaft abgedichtet werden, beispielsweise wenn es sich um eine dünne Metallmembran handelt, die durch Schweißnähte sowohl an dem Nehmerkolben als auch an einem Brennstoffeinspritzventilkörper befestigt werden kann. Die Dichtlinien selbst sind somit keine beweglichen Dichtlinien und dauerhaft für die Lebenszeit abdichtbar. Die erforderliche Beweglichkeit erfolgt allein aus der Elastizität der Membran. Dabei ist insbesondere von Vorteil, daß die Membran der Beweglichkeit des Nehmerkolbens nicht entgegensteht, da in dem Aktorraum und in dem Brennstoffraum gleicher Druck herrscht und die Membran durch ihre Verformbarkeit sich in eine solche Stellung bewegt, das sie selbst keine Kräfte aus auftretenden Druckdifferenzen aufnehmen muß. Der Piezoaktor ist somit vor einem Kontakt mit dem Brennstoff sicher geschützt und kann durch das hochviskose Hydraulikfluid zugleich gekühlt werden, als auch gegen Verschleiß durch Kontaktreibung mit dem Gehäuse des Brennstoffeinspritzventiles geschützt werden.
  • Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
  • Vorteilhaft kann der Nehmerkolben wie auch der Geberkolben als ein Tiefziehteil aus Blech ausgebildet werden.
  • Durch die Verwendung eines eigenen Hydraulikfluids, das hochviskos ist, kann dessen Viskosität den zu erwartenden Ringspalten zwischen einem Führungszylinder und dem Geberkolben bzw. dem Nehmerkolben angepaßt werden und somit wird die Verwendung von kostengünstig zu fertigen Tiefziehteilen aus Blech möglich, die keine sehr geringen Toleranzen zulassen.
  • In einer günstigen Ausführungsform ist zumindest ein Teilabschnitt des Ringspalts zwischen Geberkolben oder Nehmerkolben und einem Führungszylinder in der Einbaulage des Brennstoffeinspritzventiles in Steigrichtung eventueller Gasblasen,an der höchstgelegenen Stelle des Druckraums angeordnet.
  • Da es montagebedingt nicht möglich ist, den Druckraum eines erfindungsgemäßen Kopplers bei der Herstellung des Brennstoffeinspritzventils völlig gasblasenfrei zu halten, ist es entscheidend, daß Gasblasen schnell entweichen können, die sich im Druckraum befinden. Durch das Rückschlagventil kann das Hydraulikfuid während des Betriebes nur während der kurzen Hubphasen über die Ringspalte aus dem Druckraum austreten. Wenn zumindest ein Teilabschnitt eines solchen Ringspaltes an der höchsten Stelle in Einbaulage angeordnet ist, so wird über die Betriebsdauer des Brennstoffeinspritzventils der Druckraum sicher von allen Gasblasen entleert. Durch die Anordnung des Aktors und somit des Aktorraums oberhalb des Kopplers in normaler Einbaulage ist auch das durch das Rückschlagventil nach einem Hub nachfließende Hydraulikfluid gasblasenfrei. Es kann nicht zu einer Verringerung des Hubes der Ventilnadel durch die ungewollte Kompression einer Gasblase im Druckraum kommen. Restliche Gasblasen werden sich mit der Zeit im oberen Bereich des Aktorraums ansammeln und soweit komprimiert sein, wie es dem Druck entspricht, der in Aktorraum und Brennstoffraum gleich herrscht. Die unvermeidlich bei der Befüllung während der Herstellung eines Brennstoffeinspritzventils entstehenden Gasblasen können dadurch nicht zu Funktionsausfällen und Störungen führen.
  • In einer günstigen Ausführungsform ist der Nehmerkolben mit dem Führungszylinder dichtend und kraftschlüssig verbunden.
  • Indem beispielsweise der Führungszylinder aus einem Tiefziehblechteil oder einem Rohrabschnitt besteht, der mit dem Nehmerkolben durch Verschweißen dichtend verbunden ist, entsteht ein einfaches Bauelement. Der Geberkolben wird in diesem becherartigen Bauelement geführt.
  • Alternativ ist es möglich, den Geberkolben und den Nehmerkolben mit unterschiedlichen Durchmessern und somit wirksamen Flächen zu versehen.
  • Dadurch kann eine Wegübersetzung bewirkt werden und der geringe Hub eines Piezoaktors in einem größeren Stellweg übersetzt werden.
  • In vorteilhafter Ausführung ist das Rückschlagventil ein Kugelrückschlagventil, dessen Ventilsitz an dem Geberkolben ausgebildet ist.
  • Ein Kugelrückschlagventil ist kostengünstig zu fertigen und kann bei geringer Baugröße gut in dem Druckraum angeordnet werden.
  • In günstiger Ausführungsform wird als Hydraulikfluid ein Silikonöl verwendet.
  • Eine Aktorfeder kann als Spiralfeder ausgebildet sein und den hydraulischen Koppler umschließen.
  • Die nötige Vorspannungskraft auf den Aktor kann somit in einer raumsparenden Anordnung bewirkt werden.
  • Vorteilhaft weist die Membrane eine in einem radialen Schnitt wellenförmige Kontur auf.
  • Dadurch wird bei einer Anordnung der Membrane in einer radialen Ebene, bezogen auf eine Symmetrieachse eines Brennstoffeinspritzventils, eine hohe axiale Verformbarkeit der Membrane erzeugt. Im Falle von Druckunterschieden zwischen dem Aktorraum und dem Brennstoffraum verformt sich die Membrane in axiale Richtung entlang ihrem radialen Schnitt so lange, bis Druckgleichheit herrscht. Ebenso paßt sie sich dadurch der Bewegung des Nehmerkolbens an, mit dem sie dichtend und kraftschlüssig verbunden ist.
    • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich des Aktors und Kopplers.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Brennstoffeinspritzventils 1, wobei der Bereich eines piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktors 2 und eines Aktorraums 3, der über eine Verbindungsbohrung 4 mit einem unteren Aktorraum 5 in Verbindung steht, dargestellt sind. Der Aktor 2 ist in einem Aktorraumgehäuse 6 angeordnet, das durch eine Verschlußplatte 7 begrenzt wird. Durch eine Bohrung 8 in der Verschlußplatte 7 sind elektrische Anschlüsse 9 hindurchgeführt und durch einen O-Ring 10 abgedichtet. Über diese elektrischen Anschlüsse 9 wird der Aktor 1 mit einer elektrischen Spannung angesteuert. Eine Aktorfeder 11 stützt sich auf eine Zwischenscheibe 12 ab und drückt einen Aktorkopf 13 gegen den Aktor 2, so daß dieser mit der Verschlußplatte 7 in Anlage kommt. An dem Aktorkopf 13 liegt ein Geberkolben 14 an, der in einem Führungszylinder 15 geführt ist. Der Führungszylinder 15 ist mit einem Nehmerkolben 16 durch eine Schweißnaht 17 dichtend und kraftschlüssig verbunden. Eine Kopplerfeder 18 übt auf den Geberkolben 14 eine Vorspannungskraft aus, die den Geberkolben 14 aus dem Führungszylinder 15 herauszutreiben sucht. Der Geberkolben 14, der Führungszylinder 15, der Nehmerkolben 16 und die Kopplerfeder 18 bilden den Koppler 19. Im Inneren des Kopplers 19 ist eine Rückschlagkugel 20 angeordnet, die über eine Rückschlagfeder 21 und eine Führungshülse 22 gegen einen Ventildichtsitz 23 in den Geberkolben 14 gedrückt wird. Die Rückschlagkugel 20, die Rückschlagfeder 21 und der Dichtsitz 23 bilden ein Rückschlagventil 24. Über Zulaufbohrungen 25 kann das Hydraulikfluid aus dem oberen Aktorraum 3 zu dem Ventildichtsitz 23 des Rückschlagventils 24 gelangen. Der Koppler 19 wird mit seinem Führungszylinder 15 in eine Bohrung 26 der Zwischenscheibe 12 geführt. Über eine äußere Schweißnaht 27 ist eine Membran 29 mit der Zwischenscheibe 12 dichtend verbunden und über eine innere Schweißnaht 28 ist dieselbe Membran 29 mit dem Nehmerkolben 16 dichtend verbunden.
  • Die Membran 29 trennt einen Brennstoffraum 30 von dem unteren Aktorraum 5. Da der untere Aktorraum 5 über die Verbindungsbohrung 4 mit dem oberen Aktorraum 3 verbunden ist, herrscht in dem oberen Aktorraum 3, dem unteren Aktorraum 5 sowie dem Brennstoffraum 30 der gleiche Druck, wobei sich die Membran 29 soweit verformt, bis Druckausgleich hergestellt ist. Die Membran 29 folgt auch der Bewegung des Nehmerkolbens 16, und weiter radial außerhalb angeordnete Teile der Membran 29 vollführen hierbei eine gegenläufige Bewegung, so daß ebenfalls der Druckausgleich zwischen dem unteren Aktorraum 5 und dem Brennstoffraum 30 während einer Hubbewegung des Nehmerkolbens 16 erhalten bleibt. Die Hubbewegung des Nehmerkolbens 16 wird durch die Membran 29 nicht oder nur unwesentlich gehindert oder beeinflußt. Der Nehmerkolben 16 überträgt eine eventuelle Hubbewegung auf eine Ventilnadel 31.
  • Wenn an den Aktor 2 über die elektrisch Zuleitung 9 eine Spannung angelegt wird, so übt der Aktor 2 auf den Aktorkopf 13 eine Hubbewegung aus, die sich weiter auf den Geberkolben 14 des Kopplers 19 überträgt. Der Geberkolben 14 wird in das Innere des Führungszylinders 15 gedrückt, der mit dem Nehmerkolben 16 als einteiliges Tiefziehteil ausgebildet ist. Das Hydraulikfluid im Inneren eines durch den Nehmerkolben 16, den Führungszylinder 15 und den Geberkolben 14 gebildeten Druckraums 32 ist als hochviskose Flüssigkeit, beispielsweise ein Silikonöl, fast nicht kompressibel. Es kommt somit zu einem schnellen Druckanstieg im Druckraum 32, durch den die Rückschlagkugel 20, in den Dichtsitz 23 gepreßt wird und der Führungszylinder 15 mit dem Nehmerkolben 16 sich in der Bohrung 26 der Zwischenscheibe 12 in Richtung der Ventilnadel 31 bewegt und auf diese Ventilnadel 31 eine Hubkraft ausübt. Durch den zwischen den Geberkolben 14 und Führungszylinder 15 zwangsläufig bestehenden Ringspalt kann aufgrund der hohen Viskosität des Silikonöls nur eine geringe Menge Silikonöl in den oberen Druckraum 3 entweichen. Die Ventilnadel 31 des Brennstoffeinspritzventils 1 öffnet somit. Nach dem Abfallen der Spannung an dem Aktor 2, wird der Aktor 2 durch die Aktorfeder 11 über den Aktorkopf 13 zurück in seine Ausgangslage gedrückt. Ebenso kehrt die Ventilnadel 31 in ihre Ausgangslage zurück. Durch die Kopplerfeder 18 werden der Führungszylinder 15 und der Nehmerkolben 16 bis zum Anschlag an die Ventilnadel 13 gedrückt und der Geberkolben 14 bis zum Anschlag an den Aktorkopf 13 gedrückt. Da über den Ringspalt zwischen Geberkolben 14 und Führungszylinder 15 das Hydraulikfluid nicht rasch genug in den Druckraum 32 nachströmen kann, entsteht aufgrund der Kraft der Kopplerfeder 18 ein Unterdruck in dem Druckraum 32 und die Rückschlagkugel 20 wird aus dem Dichtsitz 23 angehoben. Von dem Aktorraum 3 kann über die Zulaufbohrungen 25 und den Dichtsitz 23 Silikonöl in den Druckraum 32 solange nachfließen, bis kein Unterdruck mehr herrscht und die Rückschlagfeder 21 die Rückschlagkugel 20 wiederum in den Dichtsitz 23 drückt. Der Koppler 19 paßt sich somit selbsttätig Längenveränderungen zwischen der Ruhelage der Ventilnadel 31 und des Aktorkopfes 13 an.
  • Vorteilhaft können die Eigenschaften des Silikonöls für den Koppler und der Verwendung in dem Aktorraum 3 optimiert werden. So kann durch die Einstellung einer geeigneten Viskosität erreicht werden, daß die Bauteile des Geberkolbens 14, des Führungszylinders 15 und des Nehmerkolbens 16 als kostengünstig zu fertigende Tiefziehbleche ausgeführt werden können, die relativ große Spaltmaße bedingen. Die beschriebene erfindungsgemäße Ausführungsform eines Brennstoffeinspritzventils 1 ermöglicht weiterhin eine sichere Abdichtung des Aktors 2 gegenüber dem Brennstoffraum 30, da die Dichtmembran 29 keine Druckkräfte aufnehmen muß. Durch die hier ebenfalls dargestellte Anordnung des Geberkolbens 14 in einer Einbaulage des Brennstoffeinspritzventils 1 derart, daß der unvermeintliche Ringspalt zwischen Geberkolben 14 und Führungszylinder 15 zumindest in einem Teil in der Aufstiegsrichtung von eventuellen Gasblasen im Druckraum 32 oben liegt, wird erreicht, daß im Langzeitbetrieb der Druckraum 32 gasblasenfrei ist und das Brennstoffventil 1 einwandfrei funktioniert. Gasblasen sammeln sich im Druckraum 32 oben än und im Falle eines Hubes des Aktors 2 werden zunächst die Gasblasen durch den Ringspalt hinausgedrückt. Im oberen Aktorraum 3 sammeln sich jedoch die Gasblasen in der Nähe der Verschlußplatte 7, an welcher Stelle sie die Funktionsfähigkeit des Brennstoffeinspritzventils 1 nicht beeinträchtigen. Das über den Dichtsitz 23 nachströmende Hydraulikfluid ist daher gasblasenfrei. Nach kurzer Zeit befinden sich in dem Druckraum 32 keinerlei Gasblasen.
  • Weiterhin ist vorteilhaft, daß das Silikonöl sowohl auf den Aktor 2 wie auch alle anderen beweglichen Teile eine dämpfende Wirkung ausübt. Aufgrund der hohen Betätigungsrate von Brennstoffeinspritzventilen 1, die bei modernen Brennkraftmaschinen nötig ist, kann es zu Schwingungen kommen, die wirksam gedämpft werden.

Claims (12)

  1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (2), der über einen hydraulischen Koppler (19) einen an einer Ventilnadel (31) ausgeformten Ventilschließkörper betätigt, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Ventildichtsitz zusammenwirkt,
    wobei der Koppler (19) einen Geberkolben (14) sowie einen Nehmerkolben (16) aufweist, die mit einem Druckraum (32) verbunden sind, der Druckraum (32) mit einem Hydraulikfluid gefüllt ist und eine Kopplerfeder (18) den Geberkolben (14) und den Nehmerkolben (16) auseinanderdrückt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Druckraum (32) mit einem Aktorraum (3,5) über ein Rückschlagventil (24) verbunden ist, dessen Sperrichtung zum Druckraum (32) gewandt ist, und daß der Aktorraum (3,5) gegenüber einem Brennstoffraum (30) durch eine bewegliche Membran (29) abgedichtet ist.
  2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Nehmerkolben (16) ein Tiefziehteil aus Blech ist.
  3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Geberkolben (14) ein Tiefziehteil aus Blech ist.
  4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zumindest ein Teilabschnitt eines Ringspalts zwischen Geberkolben (14) oder Nehmerkolben (16) und einem Führungszylinder (15) in Einbaulage des Brennstoffeinspritzventils (1) in Steigrichtung eventueller Gasblasen an der höchstegelegenen Stelle des Druckraums (32) angeordnet ist.
  5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Nehmerkolben (16) mit dem Führungszylinder (15) dichtend und kraftschlüssig verbunden ist.
  6. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Geberkolben (14) und der Nehmerkolben (16) unterschiedliche wirksame Flächen aufweisen.
  7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüch 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Rückschlagventil (24) ein Kugelrückschlagventil (24) ist.
  8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Ventilsitz (23) des Kugelrückschlagventils (24) an dem Geberkolben (14) ausgebildet ist.
  9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Hydraulikfluid ein Silikonöl ist.
  10. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüch 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß um den hydraulische Koppler (19) eine Aktorfeder (11) angeordnet ist, die auf den Aktor (2) eine Vorspannkraft ausübt.
  11. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Aktorfeder (11) eine Spiralfeder (11) ist.
  12. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Anspruch 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Membran (29) eine im radialen Schnitt wellenförmige Kontur aufweist.
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