EP1525392B1

EP1525392B1 - Einspritzmodul

Info

Publication number: EP1525392B1
Application number: EP03787648A
Authority: EP
Inventors: Jürgen Dick; Heinz Lixl; Willibald SCHÜRZ; Martin Simmet
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2009-12-30
Anticipated expiration: 2023-07-10
Also published as: EP1525392A1; US20050145726A1; DE10233906A1; WO2004016941A1; US7744014B2; JP2005533971A; JP4243808B2; DE50312292D1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Einspritzmodul mit einem Gehäuse (1), in dem ein Aktorelement (2) und ein Einspritzventil angeordnet ist. Das Aktorelement (2) ist so gestaltet, um das Einspritzventil durch einen Stellhub zu steuern. Es ist ein Ausgleichselement (6) vorgesehen, das mit dem Aktorelement (2) so verbunden ist, um die Längenänderung des Gehäuses (1) durch thermische Ausdehnung zu kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzmodul.
Je nach Ausführungsform eines Einspritzmoduls ist ein beweglicher Einsatz vorgesehen, der beispielsweise dazu verwendet wird, um eine Auslenkung eines Aktors auf eine Einspritznadel eines Einspritzventils zu übertragen. Werden piezoelektrische Aktoren verwendet, so ist eine präzise Justierung des beweglichen Einsatzes in Bezug auf ein Stellglied erforderlich.
Das ist notwendig, da piezoelektrische Aktoren zum einen nur einen geringen Bewegungshub realisieren können und zum anderen aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Einspritzventilgehäuse und dem piezoelektrischen Aktor ein definierter Leerhub zwischen dem piezoelektrischen Aktor und einem anzusteuernden Stellglied eingehalten werden muss.
Dieser definierte Leerhub muss beim Ansteuern durch das Aktorelement zunächst überwunden werden, bevor der Zustand des Einspritzventils geändert werden kann. Dies hat den Nachteil, dass höhere Ansteuerspannungen und/oder relativ große piezoelektrische Aktorelemente notwendig sind, um den notwendigen Stellweg zum Ansteuern des Einspritzventils zur Verfügung zu stellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einspritzmodul zur Verfügung zu stellen, bei dem die Größe des definierten Leerhubes reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Einspritzventil nach Anspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Erfindungsgemäß ist ein Einspritzmodul mit einem Gehäuse vorgesehen, in dem ein Aktorelement und ein Einspritzventil angeordnet ist. Das Aktorelement ist so gestaltet, um das Einspritzventil durch eine Längenänderung zu steuern. Mit dem Aktorelement ist ein Ausgleichselement verbunden, um die negativen Einflüsse durch die Längenänderung des Gehäuses aufgrund thermischer Ausdehnung zu kompensieren.
Dieses Ausgleichselement weist eine eigene thermische Ausdehnung auf, die sich zu der thermischen Ausdehnung des Aktorelementes addiert. Auf diese Weise lässt sich die thermische Ausdehnung des Ausgleichselements und des Aktorelements präzise einstellen. Durch Anpassen der gemeinsamen thermischen Ausdehnung von Aktorelement und Ausgleichselement an die thermische Ausdehnung des Gehäuses entfällt die Notwendigkeit, einen definierten Leerhub zwischen Aktorelement und dem anzusteuernden Stellglied einzuhalten. Dadurch ist es möglich, kleinere Aktorelemente vorzusehen, da der notwendige Stellhub des Aktorelements reduziert werden kann. Alternativ kann die Ansteuerspannung des Aktorelements zum Steuern des Einspritzventils reduziert werden.
Es ist vorgesehen, dass an dem Ausgleichselement ein Wärmeleitelement angeordnet ist, um einen Wärmeausgleich zwischen dem Ausgleichselement und dem Gehäuse zu bewirken. Das Wärmeleitelement hat die Funktion, einem Temperaturunterschied zwischen dem Gehäuse und dem Ausgleichs- bzw. Aktorelement entgegenzuwirken. Es ermöglicht einen schnelleren Temperaturausgleich zwischen den verschiedenen Elementen. Dies ist notwendig, da die thermischen Ausdehnungen des Gehäuses und des Ausgleichselements und dem Aktorelement aufeinander abgestimmt sein müssen, wenn sie die gleiche Temperatur aufweisen. Insbesondere in der Startphase des Motors haben die Bauelemente des Einspritzmoduls unterschiedliche Temperaturen, da eine Erwärmung von außen stattfindet. Das Vorsehen des Wärmeleitelements hat damit den Vorteil, einen schnelleren Temperaturausgleich zwischen dem Äußeren, d.h. dem Gehäuse, und dem Inneren des Einspritzmoduls, d.h. dem Ausgleichselement und dem Aktorelement, zu bewirken.
Es ist vorgesehen, dass das Wärmeleitelement sowohl in Kontakt mit dem Gehäuse als auch in Kontakt mit dem Ausgleichselement steht. Dies hat den Vorteil, dass durch den direkten Kontakt eine bessere Wärmeübertragung über das Wärmeleitelement möglich ist.
Es ist vorgesehen, dass das Wärmeleitelement als eine Hülse, vorzugsweise eine Metallhülse, aus einem gut wärmeleitfähigen Material, das insbesondere Kupfer, Messing, Silber o.a. aufweist, ausgebildet ist. Die Hülse kann um das Ausgleichselement angeordnet sein und ist somit bei der Montage einfach durch Aufschieben auf ein zylindrisches Ausgleichselement zu montieren.
Es ist vorgesehen, dass die Hülse Längsschlitze aufweist, wobei die durch die Längsschlitze gebildeten Stege gewölbt sind. Die Stege ermöglichen ein Einspannen der Hülse zwischen dem Gehäuse und dem Ausgleichselement, wobei es keine Rolle spielt, ob die Stege nach innen oder nach außen gewölbt sind. Sind die Stege nach innen gewölbt, so liegen sie an dem Ausgleichselement an und pressen die Ränder der Hülse an eine Innenwand des Gehäuses. Sind die Stege nach außen gewölbt, so liegen diese an der Innenwand des Gehäuses an und die Ränder der Hülse befinden sich in Kontakt mit dem Ausgleichselement.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Ausgleichselement an einem Haltepunkt so gehaltert, so dass die thermische Ausdehnung des Gehäuses zwischen dem Haltepunkt und dem Einspritzventil im Wesentlichen der gemeinsamen thermischen Ausdehnung von Aktorelement und Ausgleichselement entspricht. In diesem Fall ist das Aktorelement nicht unmittelbar an dem Gehäuse sondern über das Ausgleichselement mit dem Gehäuse verbunden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Einspritzmodul gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Ausgleichselements gemäß der Erfindung; und
Fig. 3 eine mögliche Ausführung des Wärmeelements.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Einspritzmodul mit einem Gehäuse 1, in das ein Aktorelement 2 eingebracht ist. Das Gehäuse 1 ist mit einer Spannmutter 3 verschraubt. Die Spannmutter 3 spannt einen Düsenkörper 4 und eine Ventilplatte 5 in das Gehäuse 1. Dabei liegt der Düsenkörper 4 mit einer oberen Endfläche an einer unteren Endfläche der Ventilplatte 5 an. Die Ventilplatte 5 wiederum liegt mit einer oberen Endfläche an einer unteren Endfläche des Gehäuses 1 an.
Das Aktorelement 2 befindet sich zwischen einer Bodenplatte 7 und einem Ausgleichselement 6. Um das Aktorelement 2 ist eine Federhülse angeordnet, um das Aktorelement 2 vorzuspannen.
Die Bodenplatte 7 ist gegenüber dem Gehäuse 1 beweglich angeordnet. Die Bodenplatte 7 weist einen Steuerdorn 16 auf, der einem Stiftteil 23 eines Schließgliedes 8 zugeordnet ist. Das Schließglied 8 ist in einer Ablauföffnung 17 der Ventilplatte 5 angeordnet. Die Ablauföffnung 17 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und verjüngt sich im oberen Bereich in einer konischen Form. Der konische Bereich der Ablauföffnung 17 stellt einen Dichtsitz für das Schließglied 8 dar. Das Schließglied 8 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und verjüngt sich ebenfalls im oberen Bereich über eine konische Form in das Stiftteil 23. Die Ablauföffnung 17 steht über eine Zulaufbohrung 18, die in die Führungsplatte 11 eingebracht ist, mit einem Zulaufkanal 10 in Verbindung, der im Gehäuse 1 geführt ist und einen Kraftstoffanschluss darstellt.
Zwischen der Zulaufbohrung 18 und der Ablauföffnung 17 ist eine Zulaufdrossel 19 angeordnet. Die Ablauföffnung 17 steht mit einer Steuerkammer 20 in hydraulischer Verbindung, die in der Führungsplatte 11 eingebracht ist und von einem beweglich gelagerten Steuerkolben 21 begrenzt ist. Der Steuerkolben 21 steht in Wirkverbindung mit einer Ventilnadel 12, deren Spitze eine Einspritzöffnung 14 zugeordnet ist. Um die Einspritzöffnung 14 ist ein Dichtsitz für die Spitze der Ventilnadel 12 ausgebildet. Zwischen der Ventilnadel 14 und dem Düsenkörper 4 ist ein Kraftstoffraum 13 ausgebildet, der ebenfalls mit dem Zulaufkanal 10 in Verbindung steht. Dazu sind entsprechende Kraftfstoffbohrungen im Düsenkörper 4, in der Führungsplatte 11 und in der Ventilplatte 5 eingebracht.
Das Aktorelement 2 ist vorzugsweise als piezoelektrischer Aktor ausgebildet und wird über Steuerleitungen 30, die über einen Steuerleitungskanal 31 dem Aktorelement 2 zugeführt werden, angesteuert. Das Ausgleichselement 6 ist dazu im Wesentlichen parallel zu seiner Längsachse mit einer Bohrung versehen, wodurch die Steuerleitungen 30 geführt werden.
Das Einspritzventil funktioniert in folgender Weise: im nicht angesteuerten Zustand des Aktorelements 2 wirkt der Steuerdorn 16 nicht auf den Stiftteil des Schließgliedes 8 ein. Der Zulaufkanal 10 steht mit einem Kraftstoffreservoir in Verbindung, das Kraftstoff mit einem hohen Druck bereithält. Folglich befindet sich im Kraftstoff mit hohem Druck im Kraftstoffraum 13, der Steuerkammer 20 und der Ablauföffnung 17. Durch den hohen Kraftstoffdruck ist das Schließglied 8 in den zugeordneten Dichtsitz gedrückt und verschließt die Ablauföffnung 17. Gleichzeitig wird die Ventilnadel 12 durch den hohen Kraftstoffdruck, der in der Steuerkammer 20 herrscht, über den Steuerkolben 21 nach unten auf den Dichtsitz der Einspritzöffnung 14 gedrückt. Folglich ist die Einspritzöffnung 14 verschlossen und es erfolgt keine Einspritzung.
Wird nun das Aktorelement 2 angesteuert, d.h. bestromt, so dehnt sich das Aktorelement 2 aus und drückt dabei die Bodenplatte 7 nach unten und damit den Steuerdorn 16 gegen das Stiftteil 23 des Schließgliedes 8. Als Folge davon wird das Schließglied 8 vom zugeordneten Dichtsitz abgehoben. Folglich wird die Ablauföffnung 17 geöffnet, und es fließt Kraftstoff aus der Steuerkammer 20 ab. Somit sinkt der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 20, da über die Zulaufdrossel 19 weniger Kraftstoff zufließt als über die Ablauföffnung 17 abfließt. Da die Ventilnadel 12 eine Druckschulter 15 im Bereich des Kraftstoffraums 13 aufweist, hebt der im Kraftstoffraum 13 vorherrschende hohe Kraftstoffdruck die Ventilnadel 12 vom Dichtsitz der Einspritzöffnung 14 ab. Somit wird die Einspritzöffnung 14 geöffnet und der Kraftstoff von dem Kraftstoffraum 13 über die Einspritzöffnung 14 abgegeben. Üblicherweise ist zwischen dem Steuerdorn 16 und dem Schließglied 8 eine Leerhubstrecke vorgesehen, wenn das Aktorelement 2 nicht angesteuert ist. Die Leerhubstrecke dient dazu, thermische Ausdehnungen zwischen Gehäuse und Aktorelement aufzunehmen, ohne dass eine Ansteuerung des Steuerdorns 16 erfolgt.
Das Ausgleichselement 6 ist mit seinem dem Aktorelement 2 abgewandten Ende über eine Klemmschraube 32 mit dem Gehäuse 1 verbunden. Mit seinem anderen Ende ist das Ausgleichselement 6 an dem Aktorelement befestigt. Das Aktorelement 2 liegt an der Bodenplatte und an einem Ende des Ausgleichselements 6 an.
Die thermische Ausdehnung von Ausgleichselement 6 und Aktorelement 2 ist gleich der thermischen Ausdehnungen des Ausgleichselements 6 und des Aktorelements 2. Da Piezoaktoren häufig keramische Materialien aufweisen, ist deren thermische Ausdehnung im allgemeinen gering. Demgegenüber ist das Gehäuse 1 häufig aus einem metallischen Material, das einen weitaus höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Bei einer Erwärmung des Einspritzmoduls vergrößert sich somit die Länge des Innenraums in dem Gehäuse, in dem sich das Aktorelement 2 befindet, und es bildet sich ein Leerhub, der es notwendig macht, dass zum Ansteuern des Aktorelements 2 eine höhere Steuerspannung verwendet werden muss oder dass ein größeres Aktorelement 2 vorgesehen sein muss, um den größeren Stellweg hervorzurufen. Um dies zu vermeiden, ist das Ausgleichselement 6 vorgesehen, das einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als das Aktorelement 2 aufweist, um die Entstehung des Leerhubs aufgrund thermischer Ausdehnung zu vermeiden. Somit hat das Ausgleichselement 6 vorzugsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der über dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses 1 liegt, um den niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aktorelements 2 zu kompensieren. Selbstverständlich ist für den Fall, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Aktorelements 2 größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses 1 ein Ausgleichselement 6 vorzusehen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient geringer ist als der des Gehäuses 1.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind so auf die Längen des Aktorelements 2, des Ausgleichselements 6 angepasst, dass bei einer gleichmäßigen Erwärmung das Gehäuse und die gemeinsame thermische Ausdehnung von Ausgleichselement 6 und Aktorelement 2 identisch sind. Dies ergibt sich gemäß folgender Formel: $α_{Aktor} \cdot L_{Aktor} + α_{Ausgleichselement} \cdot L_{Ausgleichselement} = α_{Gehäuse} \cdot (L_{Aktorelement} + L_{Ausgleichselement})$

wobei α_Gehäuse dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Gehäuses 1,
α_{Ausgleichselement} dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Ausgleichselements 6,
α_Aktorelement dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aktorelementes 2,
L_Aktorelement der Länge des Aktorelements 2,
L_{Ausgleichselement} der Länge des Ausgleichselements 6 entspricht.
Insbesondere in der Startphase des Motors erwärmt sich das Einspritzmodul nicht gleichmäßig, sondern von außen nach innen. Dadurch entstehen thermische Spannungen, die durch unterschiedliche Längenänderungen der Elemente aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufen werden. Diese Spannungen lassen sich nicht vollständig vermeiden. Um diese jedoch zu reduzieren, und somit die mechanische Beanspruchung des Gesamtsystems zu reduzieren, ist ein Wärmeleitelement 33 vorgesehen. Das Wärmeleitelement 33 ist in Form einer Hülse ausgebildet, die um das Ausgleichselement 6 liegt.
In Fig. 2 ist das Ausgleichselement 6 und das Wärmeleitelement 33 in einer vergrößerten Ansicht gezeigt. Das als Hülse 33 ausgebildete Wärmeleitelement 33 weist Schlitze auf, wodurch Stege gebildet sind. Diese Stege sind vorzugsweise nach außen gewölbt und liegen unter einer gewissen Vorspannung an einer Innenwand des Gehäuses 1 an. Die Hülse 33 ist vorzugsweise metallisch ausgebildet und weist eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit auf. Die Hülse 33 kann die Materialien Kupfer, Messing, Silber und andere Materialien enthalten, die besonders gut wärmeleitfähig sind.
Dadurch, dass die Stege der Hülse 33 nach außen gebogen sind, bilden sie einen Kontakt zur Wärmeübertragung mit dem Gehäuse 1. Mit den Randbereichen der Hülse 33 liegt die Hülse 33 an dem Ausgleichselement 6 an. Somit wird eine durchgehende Wärmeleitung zwischen Gehäuse 1 und dem Ausgleichselement 6 zur Verfügung gestellt.
Es kann selbstverständlich vorgesehen sein, dass die Stege 34 des Wärmeleitelements 33 nach innen gebogen sind, wobei die Randteile 35 der Hülse 33 an der Innenwand des Gehäuses 1 anliegen und die nach innen gewölbten Stege 34 mit dem Ausgleichselement in Kontakt kommen. Wesentlich ist, dass das Wärmeleitelement die Bewegung des Ausgleichselements 6 durch thermische Ausdehnung nicht behindert oder unterbindet. Dazu muss das Wärmeleitelement 33 eine Rutschbewegung zwischen dem Ausgleichselement 6 und dem Wärmeleitelement 33 bzw. zwischen dem Wärmeleitelement 33 und der Innenwand des Gehäuses 1 zulassen.
Zur Verbesserung der Wärmeleitung zwischen Gehäuse 1 und dem Ausgleichselement 6 können auch mehrere Wärmeleitelemente 33 vorgesehen sein. Damit wird die Kontaktfläche zwischen der Innenwand des Gehäuses 1 und der Hülse 33 bzw. zwischen der Hülse und dem Ausgleichselement 6 erhöht, wodurch der Temperaturausgleich beschleunigt wird. Auf diese Weise werden die thermischen Spannungen reduziert, die aufgrund von unterschiedlichen Temperaturen von Gehäuse 1, Aktorelement 2 und Ausgleichselement 6 entstehen können.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Wärmeleitelement 33 als ein verspanntes Element ausgebildet ist, das unter einer mechanischen Spannung in dem Ausgleichselement und der inneren Wand des Gehäuses 1 anliegt. Solche Elemente können beispielsweise gewölbte Plättchen sein.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführung einer Hülse gezeigt. Die Hülse 33 ist über ihre gesamte Länge geschlitzt und vorzugsweise aus einem flexiblen Material gefertigt. Dadurch kann die Hülse 33 sich besser an die Innenwand des Gehäuses 1 und/oder an das Ausgleichselement 6 anpassen.
Wesentlich für das Wärmeleitelement 33 ist es, dass es eine verbesserte Wärmeleitung zwischen Gehäuse 1 und Ausgleichselement 6 ermöglicht.

Claims

Einspritzmodul mit einem Gehäuse (1), in dem ein Aktorelement (2) und ein Einspritzventil (12, 14) angeordnet ist, wobei das Aktorelement (2) so gestaltet ist, dass es das Einspritzventil durch einen Stellhub steuert,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Ausgleichselement (6) mit dem Aktorelement (2) so verbunden ist, dass die Längenänderung des Gehäuses aufgrund thermischer Ausdehnung kompensiert wird, wobei an dem Ausgleichselement (6) ein Wärmeleitelement (33) angeordnet ist, um einen Temperaturausgleich zwischen dem Ausgleichselement (6) und dem Gehäuse (1) zu bewirken, und wobei das Wärmeleitelement (33) als Hülse (33) mit Längenschlitzen ausgebildet ist.
Einspritzmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (6) an einem Haltepunkt so gehaltert ist, so dass die thermische Ausdehnung des Gehäuses (1) zwischen dem Haltepunkt und dem Einspritzventil im Wesentlichen der gemeinsamen thermischen Ausdehnung von Aktorelement (2) und Ausgleichselement (6) entspricht.
Einspritzmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (33) in Kontakt mit dem Gehäuse (1) und mit dem Ausgleichselement (6) steht.
Einspritzmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Längsschlitze gebildeten Stege (34) gewölbt sind.
Einspritzmodul nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse eine Metallhülse, vorzugsweise aus einem gut wärmeleitfähigen Material, insbesondere Kupfer, Messing oder Silber ist.
Einspritzmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse über ihre gesamte Länge geschlitzt ist.