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1. WO2003081020 - BRENNSTOFFEINSPRITZVENTIL

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]
Brennstoffeinspritzventil

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs .

Aus der EP 0 477 400 AI ist ein hydraulischer Koppler für einen piezoelektrischen Aktor bekannt, wobei 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 aus der EP 0 477 400 • AI bekannten hydraulischen Koppler ist insbesondere, 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.

Weiterhin ist aus der DE 43 06 073 Cl ein Brennstoffeinspritzventil mit einem Piezoaktor bekannt, der mit einem großflächigen Druckkolben verbunden ist. Dieser Druckkolben wird mit einer Tellerfeder, die sich gegen einen 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 m Richtung auf einen Ventilsitz vorspannt und aus der Bohrung herausdruckt. Das Brennstoffeinspritzventil weist eine Ventilnadel auf, die nach innen öffnet. Zwischen dem Brennstoffemspritzventilkorper und dem Druckkolben sowie der Gegenseite des Nehmerkolbens befindet sich ein Druckraum. Über den Ringspalt zwischen Nehmerkolben und Druckkolben, die Bohrung m 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 m Richtung auf den Ventilsitz bewegt und durch die Erhöhung des Drucks des Hydraulikfluids im Druckraum der Nehmerkolben m die Bohrung in den Druckkolben entgegen zu dessen Bewegungsrichtung gedruckt und somit eine Ventilnadel aus dem Ventilsitz angehoben.

Nachteilig an dem aus der DE 43 06 073 Cl bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere, daß keine Losung für ein nach außen öffnendes Brennstoffeinspritzventil ermöglicht wird. Weiterhin ist nachteilig, daß keine Vorrichtungen zum schnellen Wiederbefullen des Druckraums nach Ruckkehr m die Ruhelage vorgesehen sind. Schließlich ist der Aufbau mehrteilig und kompliziert, da ein Druckkolben, der m dem Brennstoffeinspritzventil m 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 Haupt nspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß der Kopplerspalt des hydraulischen Kopplers im kalten Zustand der Brennkraftmaschine geschlossen ist, indem der Aktor aus einem Material mit einem negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten hergestellt ist. Die Ventilnadel wird somit im kalten Zustand direkt durch den Aktor betätigt, so daß die Öffnungszeit des Brennstoffeinspritzventils nicht von den Leckageverlusten des hydraulischen Kopplers abhängig ist.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Von Vorteil ist insbesondere, daß der hydraulische Koppler eine Hülse durchgreift, welche sich an einer mit dem Nehmerkolben verbundenen Scheibe abstützt. Die Hülse weist eine Schulter auf, welche von dem Nehmerkolben überragt wird und auf diese Weise den Hub des Geberkolbens begrenzt .

Der Gesamthub der Ventilnadel setzt sich aus Teilhüben zusammen, welche vorteilhafterweise je nach der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine durch die thermische Längenänderung des Aktors aktiviert sind.

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, und

Fig. 2 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäß ausgestalteten hydraulischen Kopplers des in Fig.
1 dargestellten beispielhaften

Brennstoffeinspritzventils .

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezundeten Brennkraftmaschine geeignet.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in welchem ein in einer Aktorpatrone 3 gekapselter Aktor 4 angeordnet ist. Der Aktor 4 kann beispielsweise als piezoelektrischer oder magnetostriktiver Aktor 4 ausgebildet sein. Der Aktor 4 stutzt sich zulaufseitig an einem Gehausebauteil 5 ab, während er abströmseitig an einem Stempelformigen Betatigungsele ent 6 anliegt. Der Aktor 4 wird durch eine zwischen einer Schulter 7 des Betatigungselements 6 und einer Stutzscheibe 8 angeordnete Vorspannfeder 9 auf Vorspannung gebracht. Eine Dichtung 10, welche beispielsweise wellrohrformig ausgebildet sein kann, schließt die Aktorpatrone 3 gegenüber einem Innenraum 11 des Brennstoffeinspritzventils 1 ab. Dadurch wird der Aktor 4 vor dem Brennstoff, welcher das Brennstoffeinspritzventil 1 durchströmt, sowohl mechanisch als auch chemisch geschützt.

Das Betatigungselement 6 stutzt sich m Abstrorαrichtung an einem Geberkolben 12 eines hydraulischen Kopplers 13 ab. Zwischen dem Geberkolben 12 und einem Nehmerkolben 14 ist ein Kopplerspalt 15 ausgebildet. Der Nehmerkolben 14 stutzt sich an einer weiteren Stützscheibe 16 ab, an deren anderer Seite eine Ventilnadel 17 angeordnet ist. An der Ventilnadel 17 ist ein Ventilschließkorper 18 ausgebildet, der mit einer an einem Ventilsitzkorper 19 ausgebildeten Ventilsitzflache 20 einen Dichtsitz bildet. Zwischen der Stützscheibe 16 und dem Ventilsitzkorper 19 ist eine Ruckstellfeder 26 angeordnet, welche die Ventilnadel 17 so mit einer Vorspannung beaufschlagt, daß das Brennstoffeinspritzventil 1 im unbestromten Zustand des Aktors 4 geschlossen gehalten wird.

Der hydraulische Koppler 13 durchgreift eine Hülse 21, welche sich über einen Flansch 22 und eine Feder 23 an einer mit dem Nehmerkolben 14 emstuckig ausgebildeten oder in geeigneter Weise mit diesem verbundenen Scheibe 24 abstützt. Die Hülse 21 ist somit sowohl gegenüber dem- hydraulischen Koppler 13 als auch gegenüber dem Gehäuse 2 des Brennstoffeinspritzventils 1 verschieblich angeordnet.

Die Funktionsweise des hydraulischen Kopplers 13 mit der Hülse 21 ist dabei erfindungsgemäß so ausgelegt, daß sowohl eine Kaltstartphase der Brennkraftmaschine, in welcher die Bauteile noch keiner thermischen Langenänderung unterworfen sind, als auch der Dauerbetrieb bei warmgelaufener Brennkraftmaschine mit zufriedenstellenden Öffnungszeiten durchführbar ist.

Wird die Brennkraftmaschine im kalten Zustand gestartet, müssen bis zu zwanzigfache Vollastmengen bei sehr niedrigen

Temperaturen, die bei -40 °C liegen können, und geringen

Drücken, welche bei ca. 0,5 MPa liegen, realisiert werden.

Bedingt durch den niedrigen Systemdruck und die großen

Vollastmengen ergeben sich Ansteuerzeiten des Aktors 4, welche erheblich über den Ansteuerzeiten bei warmer

Brennkraftmaschine liegen. Die Leckageverluste im hydraulischen Koppler 13 sind dabei so groß, daß die

Ventilnadel 17 durch den Druckverlust vorzeitig in den

Dichtsitz zurückfällt und daher nicht die geforderte Menge an Brennstoff abgespritzt werden kann.

Stellt man daher den Kopplerspalt 15 zwischen dem Geberkolben 12 und dem Nehmerkolben 14 des hydraulischen Kopplers 13 in erfindungsgemäßer Weise ein, kann bei vorgegebener Weite von Leckagespalten 27 des hydraulischen Kopplers 13 sichergestellt werden, daß auch bei langen Öffnungszeiten des Brennstoffeinspritzventils 1 der hydraulische Koppler 13 nicht leerläuft und das Brennstoffeinspritzventil 1 offengehalten werden kann. Eine detaillierte Darstellung der relevanten Komponenten ist der folgenden Beschreibung in Verbindung mit Fig. 2 zu entnehmen.

Im kalten Zustand der Brennkraftmaschine ist der Kopplerspalt 15 geschlossen, wie in Fig. 2 anhand der gestrichelten Linie dargestellt. Dies wird dadurch erreicht, daß der Aktor 4 aus einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Material besteht, welches sich bei steigender Temperatur zusammenzieht und bei sinkender Temperatur ausdehnt. Wird der Aktor 4 bestromt, dehnt er sich in einer Hubrichtung aus, so daß die Ventilnadel 17 durch den Aktor 4 direkt betätigt wird. Durch die direkte Betätigung der Ventilnadel 17 durch den Aktor 4 können bei überbrücktem Koppler 13 dessen Leckageverluste die Öffnungszeit des Brennstoffeinspritzventils 1 nicht beeinflussen, so daß dieses beliebig lange nur abhängig von der Ansteuerzeit des Aktors 4 in Offenstellung gehalten werden kann. Der Hub beträgt in diesem Fall hges = hk, wobei der Teilhub h die Weite eines Restspaltes 28 bei kalter Brennkraftmaschine zwischen dem Geberkolben 12 und der Schulter 25 der Hülse 21 ist.

Ist die Brennkraftmaschine warmgelaufen, unterliegt u. a. der Aktor 4 einer thermischen Längenänderung, welche dazu führt, daß der Kopplerspalt 15 zwischen dem Geberkolben 12 und dem Nehmerkolben 14 geöffnet wird, was in Fig. 2 durch die durchgezogene Kontur des Geberkolbens 12 verdeutlicht wird, so daß die Ventilnadel 17 indirekt über den hydraulischen Koppler 13 unter Hubübersetzung betätigt wird. Der Hub beträgt in diesem Fall hges = hw + hk, wobei hw die Weite des Kopplerspaltes 15 zwischen dem Geberkolben 12 und dem Nehmerkolben 14 ist. Die axiale Weite hw des Restspalts 28 ist dabei immer größer oder höchstens gleich dem maximalen Hub hges des Aktors 4. Die Weite hw des Kopplerspalts 15 hw beträgt bei 20 °c und einem Brennstoffdruck von 0,5 MPa vorzugsweise 25 bis 50 μm.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern auch für agnetostriktive Aktoren 4 sowie für beliebige Bauweisen von Brennstoffeinspritzventilen 1 anwendbar.