WO2001055578A2 - Einspritzdüse - Google Patents

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    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators

Definitions

  • the invention relates to an injection nozzle for a fuel injection system, with a pressure chamber which is provided with a fluid inlet and a fluid outlet, a valve seat around the fluid outlet, a valve element which can bear against the valve seat so that the fluid outlet is closed, and a piezo actuator which is provided with an actuation extension which can engage the valve element.
  • the valve element serves to control the opening and closing of a nozzle needle of the injection nozzle.
  • the nozzle needle protrudes into a control chamber, to which a fluid under pressure, in particular fuel, is supplied.
  • the fluid can flow from the control chamber through an outlet throttle into the pressure chamber.
  • the fluid outlet from the pressure chamber is closed, that is to say when the valve element lies against the valve seat, the fluid is accumulated in the control chamber, so that a high pressure builds up there. This pressure keeps the nozzle needle in its closed position.
  • the valve element is lifted from the valve seat by actuating the piezo actuator.
  • the fluid can flow out of the pressure chamber and the control chamber, so that the pressure in the control chamber drops.
  • an opening force acting on the nozzle needle which is generated by the fuel pressure present at the front end of the nozzle needle, able to open the nozzle needle. Now fuel can be injected.
  • a piezo actuator provides the advantage that 'can be switched with comparatively low electrical power and short response times, the valve element.
  • the disadvantage of a piezo actuator is that the piezo stack it contains, ie the stack of the individual piezo elements, experiences a comparatively large increase or decrease in length when the temperature changes.
  • a hydraulic compensation system in which a hydraulic piston serves as an abutment for the piezo actuator.
  • the hydraulic piston enables a slow change in the length of the piezo actuator by displacing fluid from the compensating piston through a narrow throttle gap in the event of such a change in length. If, on the other hand, a rapid change in length occurs, as corresponds to an actuation of the piezo actuator, the compensating piston can be assumed to be sufficiently rigid, since the throttle point does not permit rapid displacement of the compensating piston.
  • a compensation system is known from DE 195 31 652 A1, in which the piezo actuator is basically freely displaceable, so that it can experience changes in length due to temperature.
  • the piezo actuator is clamped in its respective position immediately before activation by a clamping device. This clamping is released again after the activation, so that a change in length which may be necessary may occur in the resting phases of the piezo actuator.
  • the object of the invention is to provide a temperature-compensated injection nozzle actuated by a piezo actuator with a simple structure.
  • the injection nozzle according to the invention with the features of claim 1 uses a purely mechanical system for temperature compensation, so that there is a particularly simple structure.
  • the basic principle of the invention is to adjust the valve seat in the same way as the actuation extension in the event of a temperature fluctuation and the associated change in length of the piezo actuator. In this way it happens. no temperature-related relative displacement between the valve seat and the actuation extension, so that the switching characteristic does not change.
  • a sleeve, for example, which surrounds the piezo actuator can be used as the temperature compensation element. This results in a particularly compact design. Any material whose temperature expansion coefficient is approximately equal to that of the piezo ceramic used for the piezo actuator can be used as the material for the temperature compensation element.
  • a detail of an injection nozzle 10 is shown in the figure. It has a nozzle needle 12 which is adjustably mounted in the nozzle body 14.
  • the nozzle needle 12 projects into a control chamber 16 which is connected to a fuel inlet 18. From the control chamber 16 there is a fuel outlet 20 which leads via an outlet throttle 22 to a fluid inlet 24 which opens into a pressure chamber 26.
  • the pressure chamber 26 is delimited on its side opposite the fluid inlet 24 by a wall part 28 which is slidably mounted in the nozzle body 14.
  • the wall part 28 is provided with a through hole, so that a fluid outlet 30 is formed from the pressure chamber 26. This can be closed by a valve element 34, which can rest against a valve seat 32 on the wall part 28.
  • a biasing spring 36 is arranged in the pressure chamber 26 to act on the valve element 34.
  • a pressure spring 38 in the form of a plate spring is arranged in the pressure chamber 26, which is supported between the wall part 28 and the bottom of the pressure chamber 26 opposite this.
  • a piezo actuator 40 is provided, which is arranged on the side of the pressure chamber 26 facing away from the nozzle needle 12.
  • the piezo actuator 40 is provided with an actuation extension 42 which extends through the fluid outlet 30 and can lift the valve element 34 from the valve seat 32.
  • a temperature compensation element 44 Arranged around the piezo actuator 40 is a temperature compensation element 44 in the form of a sleeve, which has an axial end at the bottom of the bore receiving the piezo actuator 40 and the other axial end is supported on the displaceable wall part 28.
  • the temperature compensation element 44 has a temperature expansion coefficient which is approximately equal to that of the piezo actuator 40.
  • the piezo actuator 40 serves, in a manner known per se, to selectively open the fluid outlet 30 from the pressure chamber 26 by actuating the valve element 34 and thereby to cause a decrease in the fluid pressure in the control chamber 16 so that the nozzle needle 12 can be opened. If there is a change in temperature during operation of the injection nozzle and, as a result, a change in length of the piezo actuator, this is known
  • Temperature compensation element 44 the same change in length. This results in a displacement of the displaceable wall element 28 and thus of the valve seat 32, which corresponds to the displacement of the end of the actuating extension 42 engaging the valve element 34. In this way, a relative displacement between the valve seat 32 and the actuation extension 42 is prevented in the event of a temperature change, and the switching characteristic of the injection nozzle ' remains unaffected by temperature changes.
  • the compression spring 38 is used to keep it always in contact with the temperature compensation element 44, so that the wall part 28 also follows a shortening of the temperature compensation element 44.
  • the use of a plate spring has the advantage that the same spring force is always provided regardless of a displacement of the wall part 28 with a suitable design.

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Abstract

Bei einer Einspritzdüse für ein Kraftstoff-Einspritzsystem, einer Einspritzdüse (10) für ein Kraftstoff-Einspritzsystem, mit einem Druckraum (26), der mit einem Fluideingang (24) und einem Fluidausgang (30) versehen ist, einem Ventilsitz (32) um den Fluidausgang herum, einem Ventilelement (34), das an dem Ventilsitz anliegen kann, so daß der Fluidausgang verschlossen ist, und einem Piezo-Aktor (40), der mit einem Betätigungsfortsatz (42) versehen ist, der an dem Ventilelement angreifen kann, soll eine Temperaturkompensation mit geringem Aufwand erzielt werden. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, daß ein verschiebbares Wandteil (28) vorgesehen ist, an dem der Ventilsitz ausgebildet ist und das den Druckraum auf der Seite des Ventilsitzes begrenzt, und daß ein Temperaturausgleichselement (44) vorgesehen ist, das mit dem verschiebbaren Wandteil zusammenwirkt und dieses entsprechend einer temperaturbedingten Längenänderung des Piezo-Aktors verschiebt.

Description

Einspritzdüse
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für ein Kraftstoff-Einspritzsystem, mit einem Druckraum, der mit einem Fluideingang und einem Fluidausgang versehen ist, einem Ventilsitz um den Fluidausgang herum, einem Ventilelement, das an dem Ventilsitz anliegen kann, so daß der Fluidausgang verschlossen ist, und einem Piezo-Aktor, der mit einem Betätigungsfortsatz versehen ist, der an dem Ventilelement angreifen kann.
Das Ventilelement dient zur Steuerung des Öffnens und des Schließens einer Düsennadel der Einspritzdüse. Die Düsennadel ragt in einen Steuerraum hinein, dem ein unter Druck stehendes Fluid, insbesondere Kraftstoff, zugeführt wird. Aus dem Steuerraum kann das Fluid durch eine Ablaufdrossel hindurch in den Druckraum fließen. Wenn der Fluidausgang aus dem Druckraum geschlossen ist, also wenn das Ventilelement an dem Ventilsitz anliegt, wird das Fluid in dem Steuerraum aufgestaut, so daß sich dort ein hoher Druck aufbaut. Dieser Druck hält die Düsennadel in ihrer geschlossenen Stellung. Wenn die Düsennadel geöffnet werden soll, wird das Ventilelement durch Betätigung des Piezo- Aktors von dem Ventilsitz abgehoben. Dadurch kann das Fluid aus dem Druckraum und dem Steuerraum abfließen, so daß der Druck im Steuerraum absinkt. Dadurch ist eine auf die Düsennadel einwirkende Öffnungskraft, die von dem am vorderen Ende der Düsennadei anstehenden Kraftstoffdruck erzeugt wird, in der Lage, die Düsennadel zu öffnen. Nun kann Kraftstoff eingespritzt werden.
Die Verwendung eines Piezo-Aktors bietet den Vorteil, daß mit vergleichsweise geringen elektrischen Leistungen und kurzen Ansprechzeiten das Ventilelement geschaltet' werden kann. Der Nachteil eines Piezo-Aktors besteht darin, daß der in ihm enthaltene Piezo-Stack, also der Stapel der einzelnen Piezo-Elemente, bei Temperaturänderungen eine vergleichsweise große Längenzunahme bzw. Längenabnahme erfährt.
Um zu verhindern, daß diese Längenänderung des Piezo-Aktors das Schaltverhalten der Einspritzdüse beeinflußt, wurden im Stand der Technik verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, die einer Temperaturkompensation dienen. Aus der DE 35 33 085 A1 ist beispielsweise ein hydraulisches Ausgleichs- System bekannt, bei dem ein Hydraulikkolben als Widerlager für den Piezo- Aktor dient. Der Hydraulikkolben ermöglicht eine langsame Längenänderung des Piezo-Aktors, indem bei einer solchen Längenänderung Fluid vom Ausgleichskolben durch einen engen Drosselspalt verdrängt wird. Wenn dagegen eine schnelle Längenäπderung auftritt, wie sie einer Betätigung des Piezo- Aktors entspricht, kann der Ausgleichskolben als hinreichend starr angenommen werden, da die Drosselstelle eine schnelle Verschiebung des Ausgleichskolbens nicht ermöglicht.
Aus der DE 195 31 652 A1 ist ein Ausgleichssystem bekannt, bei dem der Piezo-Aktor grundsätzlich frei verschiebbar ist, so daß er temperaturbedingte Längenänderungen erfahren kann. Um aber bei einer Aktivierung des Piezo- Aktors über ein Widerlager zu verfügen, wird der Piezo-Aktor unmittelbar vor einer Aktivierung von einer Klemmvorrichtung in seiner jeweiligen Position eingespannt. Diese Einspannung wird nach der Aktivierung wieder aufgehoben, so daß in den Ruhephasen des Piezo-Aktors eine gegebenenfalls erforderliche Längenänderung auftreten kann. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine von einem Piezo-Aktor betätigte, temperaturkompensierte Einspritzdüse mit einfachem Aufbau zu schaffen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Einspritzdüse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 verwendet zur Temperaturkompensation ein rein mechanisches System, so daß sich ein besonders einfacher Aufbau ergibt. Die Erfindung beruht im Grundgedanken darauf, bei einer auftretenden Temperaturschwankung und der damit verbundenen Längenänderung des Piezo-Aktors den Ventilsitz in gleicher Weise zu verstellen wie den Betätigungsfortsatz. Auf diese Weise kommt es zu . keiner temperaturbedingten Relativverschiebung zwischen dem Ventilsitz und dem Betätigungsfortsatz, so daß sich die Schaltcharakteristik nicht ändert.
Als Temperaturausgleichselement kann beispielsweise eine Hülse verwendet werden, die den Piezo-Aktor umgibt. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders kompakte Gestaltung. Als Material für das Temperaturausgleichselement kann ein beliebiges Material verwendet werden, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient etwa gleich demjenigen der für den Piezo-Aktor verwendeten Piezo-Keramik ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü- chen.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, die in der beigefügten einzigen Zeichnung dargestellt ist. In dieser ist in einem Querschnitt das mit dem Piezo-Aktor und de Druckraum versehene Ende einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse gezeigt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Figur ist ein Ausschnitt einer Einspritzdüse 10 gezeigt. Sie weist eine Düsennadel 12 auf, die in dem Düsenkörper 14 verstellbar angebracht ist. Die Düsennadel 12 ragt in einen Steuerraum 16 hinein, der mit einem Kraftstoff- Zulauf 18 in Verbindung steht. Vom Steuerraum 16 geht ein Kraftstoff-Ablauf 20 ab, der über eine Ablaufdrossel 22 zu einem Fluideingang 24 führt, der in einem Druckraum 26 mündet. Der Druckraum 26 wird auf seiner vom Fluideingang 24 entgegengesetzten Seite von einem Wandteil 28 begrenzt, das verschiebbar im Düsenkörper 14 angebracht ist. Das Wandteil 28 ist mit einer Durchgangsbohrung versehen, so daß ein Fluidausgang 30 aus dem Druckraum 26 gebildet ist. Dieser kann von einem Ventilelement 34 verschlossen werden, das an einem Ventilsitz 32 am Wandteil 28 anliegen kann. Zur Beaufschlagung des Ventilelementes 34 ist im Druckraum 26 eine Vorspannfeder 36 angeordnet. Schließlich ist im Druckraum 26 noch eine Druckfeder 38 in der Form einer Tellerfeder angeordnet, die sich zwischen dem Wandteil 28 und dem diesem gegenüberliegenden Boden der Druckkammer 26 abstützt.
Zur Betätigung des Ventilelementes 34 ist ein Piezo-Aktor 40 vorgesehen, der auf der von der Düsennadel 12 abgewandten Seite des Druckraumes 26 ange- ordnet ist. Der Piezo-Aktor 40 ist mit einem Betätigungsfortsatz 42 versehen, der sich durch den Fluidausgang 30 hindurch erstreckt und das Ventilelement 34 vom Ventilsitz 32 abheben kann.
Um den Piezo-Aktor 40 herum ist ein Temperaturausgleichselement 44 in der Form einer Hülse angeordnet, das sich mit einem axialen Ende am Boden der den Piezo-Aktor 40 aufnehmenden Bohrung und mit dem anderen axialen Ende am verschiebbaren Wandteil 28 abstützt. Das Temperaturausgleichselement 44 hat einen Temperaturausdehnungskoeffizienten, der etwa gleich demjenigen des Piezo-Aktors 40 ist.
Der Piezo-Aktor 40 dient in an sich bekannter Weise dazu, durch Betätigung des Ventilelementes 34 selektiv den Fluidausgang 30 aus dem Druckraum 26 zu öffnen und dadurch ein Absinken des Fluiddrucks im Steuerraum 16 hervorzurufen, damit die Düsennadel 12 geöffnet werden kann. Wenn es während des Betriebs der Einspritzdüse zu einer Temperaturänderung und dadurch bedingt zu einer Längenänderung des Piezo-Aktors kommt, erfährt das
Temperaturausgleichselement 44 dieselbe Längenänderung. Dadurch kommt es zu einer Verschiebung des verschiebbaren Wandelementes 28 und damit des Ventilsitzes 32, die der Verschiebung des an dem Ventilelement 34 angreifenden Endes des Betätigungsfortsatzes 42 entspricht. Auf diese Weise ist eine Relativverschiebung zwischen dem Ventilsitz 32 und dem Betätigungsfortsat∑ 42 bei einer Temperaturänderung verhindert, und die Schaltcharakteristik der Einspritzdüse ' bleibt unbeeinflußt von Temperaturänderungen. Die Druckfeder 38 dient bei einer Verstellung des verschiebbaren Wandteils 28 dazu, dieses immer in Anlage am Temperaturausgleichselement 44 zu halten, so daß das Wandteil 28 auch einer Verkürzung des Temperaturausgleichselementes 44 folgt. Die Verwendung einer Tellerfeder bietet den Vorteil, daß bei geeigneter Auslegung immer dieselbe Federkraft unabhängig von einer Verschiebung des Wandteils 28 bereitgestellt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Einspritzdüse (10) für ein Kraftstoff-Einspritzsystem, mit einem Druckraum (26), der mit einem Fluideingang (24) und einem Fluidausgang (30) versehen ist, einem Ventilsitz (32) um den Fluidausgang herum, einem Ventilelement (34), das an dem Ventilsitz anliegen kann, so daß der Fluidausgang verschlossen ist, und einem Piezo-Aktor (40), der mit einem Betäti- gungsfortsatz (42) versehen ist, der an dem Ventilelement angreifen kann, dadurch gekennzeichnet, daß ein verschiebbares Wandteil (28) vorgesehen ist, an dem der Ventilsitz ausgebildet ist und das den Druckraum auf der Seite des Ventilsitzes begrenzt, und daß ein Temperaturausgleichselement (44) vorgesehen ist, das mit dem verschiebbaren Wandteil zusammenwirkt und dieses entsprechend einer temperaturbedingten Längenänderung des Piezo-Aktors verschiebt.
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsfortsatz (42) des Piezo-Aktors (40) durch das verschiebbare Wandteil (28) hindurchragt.
3. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturausgleichselement (44) eine Hülse ist, die den Piezo- Aktor umgibt.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem verschiebbaren Wandteil (28) und der gegenüberliegenden Wand des Druckraumes (26) eine Druckfeder (38) angeordnet ist. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder (38) eine Tellerfeder ist.
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