EP1454056B1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

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EP1454056B1
EP1454056B1 EP02805246A EP02805246A EP1454056B1 EP 1454056 B1 EP1454056 B1 EP 1454056B1 EP 02805246 A EP02805246 A EP 02805246A EP 02805246 A EP02805246 A EP 02805246A EP 1454056 B1 EP1454056 B1 EP 1454056B1
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EP
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valve
fuel injection
injection valve
needle
fuel
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EP02805246A
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Fevzi Yildirim
Guenther Hohl
Michael Huebel
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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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
    • F02M2200/31—Fuel-injection apparatus having hydraulic pressure fluctuations damping elements
    • F02M2200/315—Fuel-injection apparatus having hydraulic pressure fluctuations damping elements for damping fuel pressure fluctuations

Definitions

  • the invention is based on a fuel injection valve according to the preamble of the main claim.
  • a Fuel injector known which one in one Nozzle body axially movable nozzle needle, which by a piezoelectric actuator is actuated and by a Compression spring is held in the closed position.
  • the Fuel is supplied from an external source with freely adjustable pressure.
  • the nozzle needle has a Central bore on, with the actuator, the nozzle needle concentrically surrounds and by means of sealing surfaces against the Fuel pressure is sealed.
  • a disadvantage of the known from DE 195 34 445 C2 Injection valve is in particular that the stroke of the actuator by the influence of the fuel pressure despite the Sealing surfaces can vary so much that a to Compensation of thermal changes in length provided Air gap between the actuator and the valve needle so big that the valve can not be opened.
  • EP 1 046 809 A2 discloses a fluid metering device with a metal bellows, which is hermetically sealed and generates only small axial pressure-related forces.
  • EP 1 111 230 A2 discloses a hydraulic Device for transmitting an actuator movement with a Metal bellows for sealing.
  • DE 100 07 733 A1 discloses an injection valve, at which between the actuator and the nozzle needle for Sealing of the under high pressure Fuel is arranged a metallic corrugated pipe.
  • the fuel injection valve according to the invention with the characterizing features of the main claim has In contrast, the advantage that the structural design the valve needle relief of the actuator Pressure equalization of the valve needle allowed.
  • the valve needle learns in the closed state of Fuel injection valve in the axial direction no Pressure force component. As a result, the actuator is relieved.
  • the freedom of the valve needle can thereby be brought about that the valve needle with a flexible seal communicates and the Joint with the flexible seal the same Radial distance from the central axis of the Fuel injection valve has as the sealing seat.
  • valve needle between the valve needle and a valve needle guide formed a throttle gap is, which intercepts the dynamic portion of the pressure.
  • pressure oscillations reach the corrugated tube seal no more.
  • annular Valve needle guide and the housing of the Fuel injection valve designed throttle point for, that pressure oscillations through the Fuel injection valve does not flow through the fuel can be transferred to the valve needle.
  • the inner diameter of the Valve needle guide the inner diameter of the sealing seat corresponds, so that the valve needle and with it in Active connection standing actuator body are guided axially and thereby offsets the valve needle and the Actuator be avoided.
  • a illustrated in Fig. 1 first embodiment of a Fuel injection valve 1 according to the invention is in shape a fuel injection valve 1 for Fuel injection systems of mixture compression, spark-ignited internal combustion engines running.
  • the Fuel injector 1 is particularly suitable for direct injection of fuel into one illustrated combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the fuel injection valve 1 comprises a housing 2 in which an actuator 3 is arranged.
  • the actuator 3 consists for example, from several layers 4, consisting of a consist of piezoelectrically excitable material and For example, glued together.
  • the actuator 3 supports on the inlet side on a housing component 5 and downstream on an actuator head 6.
  • valve needle 10 Downstream of the actuator head 6 is a valve needle. 10 arranged downstream of the actuator head 6 . Between the actuator head 6 and the valve needle 10th If an air gap 11 is formed.
  • the valve needle 10th passes through the intermediate member 9, wherein the valve needle 10th with the intermediate component 9 via a flexible seal 12, preferably a flexible corrugated tube seal 12, against the the fuel injection valve 1 flowing through the fuel is sealed.
  • the corrugated tube seal 12 is connected to the Intermediate member 9 and the valve needle 10 respectively welded.
  • the housing 2 and the intermediate member 9 are sealed by a sealing ring 13 against each other.
  • the valve needle 10 passes through the example with a U-shaped cross-section provided intermediate member 9 so that a downstream leg 14 of the intermediate member 9 as Valve needle guide is used.
  • the valve needle 10 can for example, for the sake of better switching dynamics a Have recess 15.
  • valve needle 10 Downstream of the valve needle 10 is an actuating body 16, which at its downstream end a Valve-closing body 17 has.
  • the valve closing body 17 acts with a valve seat surface 28 to a sealing seat 25th together.
  • the valve seat surface 28 may in particular on a formed annular valve seat body 18 be executed, which is either integral with the housing 2 or is suitably associated with it.
  • a return spring 20 is arranged between the valve seat body 18 and a downstream end 19 the valve needle 10; which the fuel injection valve 1 in the non-energized State of the actuator 3 keeps closed.
  • the fuel injection valve 1 further comprises a Valve needle guide 21, which, for example, annular may be executed and their radial extent chosen is that between the annular valve needle guide 21 and the housing 2, a throttle body 22 is formed.
  • a Valve needle guide 21 which, for example, annular may be executed and their radial extent chosen is that between the annular valve needle guide 21 and the housing 2, a throttle body 22 is formed.
  • the fuel injector 1 flowing through Fuel. is about a not shown Fuel supply and fed via a fuel line 23, which extends for example in the housing 2, on the Actuator 3 passed.
  • Outflow side of the corrugated tube 12 is an inner space 24 of the fuel injection valve 1 completely filled with fuel.
  • This fuel is available under fuel pressure, the so-called system pressure.
  • the piezoelectric layers 4 expand, so that the actuator base 6 in the direction of the valve needle 10 in a discharge direction of the fuel moves.
  • the air gap 11 between the actuator base 6 and the valve needle 10 is closed by it.
  • the actuator 3 pushes the Valve needle 10 and thus also the actuator body 16 in Downstream of the fuel, so that at the Operating body 16 formed valve closing body 17 of the valve seat surface 28, which on the valve seat body 18th is formed lifts, the fuel injection valve. 1 is opened and fuel in the not further hosed shown combustion chamber of the internal combustion engine becomes.
  • valve needle 10th with the preferably designed as a corrugated tube seal 12 flexible seal 12 is connected to the same radial Distance from the central axis 27 of the Fuel injection valve 1 as the sealing seat 25, so will the valve needle 10 in the closed state by the Fuel pressure is not applied and is pressure-balanced.
  • the valve needle 10 thus even with closed air gap 11 no forces on the Transfer actuator 3.
  • the invention is not limited to that shown Embodiment limited and, for example, for Inwardly opening fuel injectors 1 or magnetostrictive actuators 3 applicable.

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  • 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.
Beispielsweise ist aus der DE 195 34 445 C2 ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, welches eine in einem Düsenkörper axial bewegliche Düsennadel, welche durch ein piezoelektrisches Stellglied betätigbar ist und durch eine Druckfeder in Schließstellung gehalten wird. Die Brennstoffzufuhr erfolgt dabei von einer externen Quelle mit frei einstellbarem Druck. Die Düsennadel weist eine Zentralbohrung auf, wobei das Stellglied die Düsennadel konzentrisch umgibt und mittels Dichtflächen gegen den Brennstoffdruck abgedichtet ist.
Nachteilig an dem aus der DE 195 34 445 C2 bekannten Einspritzventil ist insbesondere, daß der Hub des Aktors durch den Einfluss des Brennstoffdruckes trotz der Dichtflächen so stark variieren kann, daß ein zur Kompensation der thermischen Längenänderungen vorgesehener Luftspalt zwischen dem Aktor und der Ventilnadel so groß wird, daß das Ventil nicht geöffnet werden kann.
Die EP 1 046 809 A2 offenbart eine Fluiddosiervorrichtung mit einem Metallbalg, der hermetisch abgedichtet ist und nur geringe axiale druckbedingte Kräfte erzeugt.
Die EP 1 111 230 A2 offenbart eine hydraulische Vorrichtung zum Übertragen einer Aktorbewegung mit einem Metallbalg zur Abdichtung.
Die DE 100 07 733 A1 offenbart ein Einspritzventil, bei welchem zwischen dem Aktor und der Düsennadel zur Abdichtung des sich unter Hochdruck befindlichen Kraftstoffs ein metallisches Wellrohr angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die konstruktive Gestaltung der Ventilnadel eine Entlastung des Aktors durch Druckausgleich der Ventilnadel erlaubt. Die Ventilnadel erfährt im geschlossenen Zustand des Brennstoffeinspritzventils in axialer Richtung keine Druckkraftkomponente. Dadurch wird der Aktor entlastet.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Die Kräftefreiheit der Ventilnadel kann dadurch herbeigeführt werden, daß die Ventilnadel mit einer flexiblen Dichtung in Verbindung steht und die Verbindungsstelle mit der flexiblen Dichtung den gleichen radialen Abstand von der Mittelachse des Brennstoffeinspritzventils aufweist wie der Dichtsitz.
Insbesondere ist von Vorteil, daß zwischen der Ventilnadel und einer Ventilnadelführung ein Drosselspalt ausgebildet ist, welcher den dynamischen Anteil des Druckes abfängt. Dadurch erreichen Druckschwingungen die Wellrohrdichtung nicht mehr.
Vorteilhafterweise sorgt eine zwischen einer ringförmigen Ventilnadelführung und dem Gehäuse des Brennstoffeinspritzventils ausgebildete Drosselstelle dafür, daß Druckschwingungen durch den das Brennstoffeinspritzventil durchströmenden Brennstoff nicht auf die Ventilnadel übertragen werden können. Dadurch ist auch der Aktor frei von mechanischen Druckbelastungen durch den Brennstoff.
Weiterhin ist von Vorteil, daß der Innendurchmesser der Ventilnadelführung dem Innendurchmesser des Dichtsitzes entspricht, so daß die Ventilnadel und der mit ihr in Wirkverbindung stehende Betätigungskörper axial geführt sind und dadurch Versätze der Ventilnadel und des Betätigungskörpers vermieden werden.
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 erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Ein in Fig. 1 dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 ist in Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt ein Gehäuse 2, in dem ein Aktor 3 angeordnet ist. Der Aktor 3 besteht dabei beispielsweise aus mehreren Schichten 4, die aus einem piezoelektrisch erregbaren Material bestehen und beispielsweise miteinander verklebt sind. Der Aktor 3 stützt sich zulaufseitig an einem Gehäusebauteil 5 und abströmseitig an einem Aktorkopf 6 ab. Eine Vorspannfeder 7, welche sich einerseits an einer Schulter 8 des Aktorkopfes 6 und andererseits an einem Zwischenbauteil 9 abstützt, bringt den Aktor 3 auf Vorspannung.
Abströmseitig des Aktorkopfes 6 ist eine Ventilnadel. 10 angeordnet. Zwischen dem Aktorkopf 6 und der Ventilnadel 10 ist dabei ein Luftspalt 11 ausgebildet. Die Ventilnadel 10 durchgreift das Zwischenbauteil 9, wobei die Ventilnadel 10 mit dem Zwischenbauteil 9 über eine flexible Dichtung 12, vorzugsweise eine flexible Wellrohrdichtung 12, gegen den das Brennstoffeinspritzventil 1 durchströmenden Brennstoff abgedichtet ist. Die Wellrohrdichtung 12 ist mit dem Zwischenbauteil 9 und der Ventilnadel 10 jeweils verschweißt. Das Gehäuse 2 und das Zwischenbauteil 9 sind mittels eines Dichtrings 13 gegeneinander abgedichtet.
Die Ventilnadel 10 durchgreift das beispielsweise mit einem U-förmigen Querschnitt versehene Zwischenbauteil 9 so, daß ein abströmseitiger Schenkel 14 des Zwischenbauteils 9 als Ventilnadelführung dient. Die Ventilnadel 10 kann beispielsweise aus Gründen der besseren Schaltdynamik eine Ausnehmung 15 aufweisen.
Abströmseitig der Ventilnadel 10 ist ein Betätigungskörper 16 angeordnet, der an seinem abströmseitigen Ende einen Ventilschließkörper 17 aufweist. Der ventilschließkörper 17 wirkt mit einer Ventilsitzfläche 28 zu einem Dichtsitz 25 zusammen. Die Ventilsitzfläche 28 kann insbesondere an einem ringförmig ausgebildeten Ventilsitzkörper 18 ausgebildet sein, der entweder einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgeführt oder in geeigneter Weise mit diesem verbunden ist. Zwischen dem Ventilsitzkörper 18 und einem abströmseitigen Ende 19 der Ventilnadel 10 ist eine Rückstellfeder 20 angeordnet; welche das Brennstoffeinspritzventil 1 im nicht bestromten Zustand des Aktors 3 geschlossen hält.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt weiterhin eine Ventilnadelführung 21, welche beispielsweise ringförmig ausgeführt sein kann und deren radiale Ausdehnung so gewählt ist, daß zwischen der ringförmigen Ventilnadelführung 21 und dem Gehäuse 2 eine Drosselstelle 22 ausgebildet ist.
Der das Brennstoffeinspritzventil 1 durchströmende Brennstoff. wird über eine nicht weiter dargestellte Brennstoffzufuhr zugeleitet und über eine Brennstoffleitung 23, welche beispielsweise in dem Gehäuse 2 verläuft, an dem Aktor 3 vorbeigeführt. Abströmseitig des Wellrohrs 12 ist ein Innenraum 24 des Brennstoffeinspritzventils 1 vollständig mit Brennstoff gefüllt. Dieser Brennstoff steht unter Brennstoffdruck, dem sog. Systemdruck. Dadurch, daß der Brennstoff die Drosselstelle 22 nur gedrosselt und damit unter einem erheblich niedrigerem Druck passieren kann, wird erreicht, daß einerseits Druckschwingungen das Wellrohr 12 nicht erreichen können und damit der Aktor 3 von Druckschwingungen unbeeinflußt bleibt, und andererseits, daß die mechanische Belastung der Ventilnadel 10 und des Betätigungskörpers 16 durch den Brennstoffdruck klein bleibt und dadurch keine Resonanzschwingungen durch Druckschwingungen aufgebaut werden können.
Wird dem Aktor 3 über eine nicht weiter dargestellte elektrische Leitung eine elektrische Spannung zugeführt, dehnen sich die piezoelektrischen Schichten 4 aus, so daß sich der Aktorfuß 6 in Richtung auf die Ventilnadel 10 in einer Abströmrichtung des Brennstoffs bewegt. Der Luftspalt 11 zwischen dem Aktorfuß 6 und der Ventilnadel 10 wird dadurch geschlossen. Bei weiterer Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten 4 drückt der Aktor 3 die Ventilnadel 10 und damit auch den Betätigungskörper 16 in Abströmrichtung des Brennstoffs, so daß der an dem Betätigungskörper 16 ausgebildete Ventilschließkörper 17 von der Ventilsitzfläche 28, welche an dem Ventilsitzkörper 18 ausgebildet ist, abhebt, das Brennstoffeinspritzventil 1 geöffnet wird und Brennstoff in den nicht weiter dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine abgespritzt wird.
Wird die den Aktor 3 erregende Spannung abgeschaltet, ziehen sich die piezoelektrischen Schichten 4 zusammen. Dadurch hebt der Aktorfuß 6 von der Ventilnadel 10 ab, wodurch die Ventilnadel 10 entlastet wird. Die Rückstellfeder 20 drückt die Ventilnadel 10 entgegen der Abströmrichtung des Brennstoffs in ihre Ausgangslage zurück, wodurch auch der Betätigungskörper 16 und der daran ausgebildete Ventilschließkörper 17 ebenfalls in ihre Ausgangslage zurückkehren. Das Brennstoffeinspritzventil 1 wird geschlossen.
Hat die Verbindungsstelle 26, an welcher die Ventilnadel 10 mit der vorzugsweise als Wellrohrdichtung 12 ausgeführten flexiblen Dichtung 12 verbunden ist, den gleichen radialen Abstand von der Mittelachse 27 des Brennstoffeinspritzventils 1 wie der Dichtsitz 25, so wird die Ventilnadel 10 im geschlossenen Zustand durch den Brennstoffdruck nicht beaufschlagt und ist druckausgeglichen. Durch die Ventilnadel 10 werden somit auch bei geschlossenem Luftspalt 11 keine Kräfte auf den Aktor 3 übertragen.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und zum Beispiel auch für nach innen öffnende Brennstoffeinspritzventile 1 oder magnetostriktive Aktoren 3 anwendbar.

Claims (9)

  1. Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (3), einer durch den Aktor (3) betätigbaren Ventilnadel (10), welche mit einem Ventilschließkörper (17) zusammenwirkt, der mit einem Ventilsitzkörper (18) einen Dichtsitz (25) bildet, und einer Rückstellfeder (20), durch welche die Ventilnadel (10) in einer Schließrichtung beaufschlagt ist, wobei die Ventilnadel (10) im geschlossenen Zustand druckausgeglichen ist, indem die Kraft, die der Brennstoffdruck in Öffnungsrichtung auf die Ventilnadel (10) ausübt, etwa gleich der Kraft ist, die der Brennstoffdruck in Schließrichtung auf die Ventilnadel (10) ausübt,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilnadelführung (21) vorgesehen ist, welche mit einem Gehäuse (2) des Brennstoffeinspritzventils (1) eine Drosselstelle (22) bildet.
  2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (10) mit einer flexiblen Dichtung (12) in Verbindung steht und die Verbindungsstelle (26) mit der flexiblen Dichtung (12) den gleichen radialen Abstand wie der Dichtsitz (25) von einer Mittelachse (27) des Brennstoffeinspritzventils (1) aufweist.
  3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Innendurchmesser der Ventilnadelführung (21) gleich einem Innendurchmesser des ventilsitzkörpers (18) ist.
  4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (10) ein Zwischenbauteil (9) durchgreift, welches in dem Gehäuse (2) des Brennstoffeinspritzventils (1) angeordnet ist.
  5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenbauteil (9) durch einen Dichtring (13) gegen das Gehäuse (2) des Brennstoffeinspritzventils (1) abgedichtet ist.
  6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (10) und das Zwischenbauteil (9) durch eine Wellrohrdichtung (12) gegen den Brennstoff, welcher das Brennstoffeinspritzventil (1) durchströmt, abgedichtet sind.
  7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Wellrohrdichtung (12) mit der Ventilnadel (10) und dem Zwischenbauteil (9) verschweißt ist.
  8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (3) durch eine Vorspannfeder (7) auf Vorspannung gebracht ist.
  9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aktorfuß (6) und der Ventilnadel (10) ein Luftspalt (11) ausgebildet ist.
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