ELEKTRISCH ANSTEUERBARES KRAFTSTOFFEINSPRITZVENTIL

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht aus von einem elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 oder 2.

[0002] Aus der EP-A-0 050 711 ist eine derartige Ventileinrichtung bekannt, bei der ein elektrischer Steller auf ein in einer Ventilbohrung geführtes, von einer Stellkraft verschiebbares, kolbenartiges Ventilglied eine Klemmkraft ausübt und dessen Bewegung verhindert. Der Steller ist als Elektromagnet oder als zu einer Säule geschichtete piezoelektrische Scheiben ausgeführt. Die bekannte Ventileinrichtung weist eine unsymmetrische Krafteinwirkung des Stellers auf das kolbenartige Ventilglied auf, in dem es gegen die dem Steller gegenüberliegende Wandung der Ventilbohrung gepreßt wird.

[0003] Aus der US-A-3 902 084 ist eine präzisionsmechanische piezoelektrische Verstellvorrichtung bekannt, bei der ein Kolben mit Hilfe von piezoelektrischen Ringen verstellt wird. Mit Hilfe einer elektrischen Schaltung, die in einer vorgegebenen Reihenfolge Spannungen an die piezokeramischen Ringe legt, wird eine langsame, stetige Bewegung des Kolbens erzielt.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch ansteuerbares Kraftstoffeinspritzventil anzugeben, das eine möglichst hohe Schaltgeschwindigkeit erreicht.

[0005] Diese Aufgabe wird durch die in den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 2 enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

[0006] Die erfindungsgemäße Verwendung wenigstens eines Ringes aus piezokeramischem Material gemäß einer ersten Ausführungsform weist zunächst den Vorteil einer günstigen Führung der Klemmkräfte um den Kolben herum auf. Dies führt zu kleinen Abmessungen der Einrichtung und zu großer Stetigkeit bezogen auf die eingesetzte Masse. Ein weiterer Vorteil ist die Abnahme von Eigenfrequenzen der Bauteile, womit höhere Schaftgeschwindigkeiten möglich werden. In der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wirkt der piezoelektrische Ring auf nahezu den gesamten Umfang des Kolbens.

[0007] In einer zweiten Ausführungsform eines elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventils ist wenigstens ein Steller aus piezoelektrischem Material vorgesehen, der Bestandteil des Kolbens ist, der nahezu auf den gesamten Umfang der Bohrung wirkt.

[0008] Zur Erhöhung der Klemmfläche ist es vorteilhaft, im Klemmbereich eine Vergrößerung des Kolbenquerschnitts bzw. der Bohrung vorzusehen.

[0009] Das die Druckkraft erzeugende Fluid ist zweckmäßigerweise der durch das Kraftstoffeinspritzventil zu steuernde Kraftstoff. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kolben ein Teil des Ventils ist.

[0010] Das erfindungsgemäße elektrisch ansteuerbare Kraftstoffeinspritzventil eignet sich insbesondere deshalb für die Kraftstoffeinspritzung in Verbrennungsmotoren, da man dort bestrebt ist, einen möglichst rechteckförmigen Druck- bzw. Mengenverlauf als Funktion der Zeit zu erreichen.

[0011] Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventils ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung.

Zeichnung

[0012] Es zeigen Figur 1 ein erstes und Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Teils eines elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventils und Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventils.

- Beschreibung der Ausfürungsbeispiele

[0013] Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Teils eines elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventils Ein Gehäuse 10 weist eine Bohrung 11 auf. In der Bohrung 11 ist dicht und gleitend ein Kolben 12 geführt, der zwei Stirnflächen 13, 14 aufweist. An beiden Enden der Bohrung 11 sind jeweils Querschnittsverengungen 15, 16 vorgesehen, die an der Übergangsstelle zu der Bohrung 11 jeweils Anschlagsflächen 17, 18 für den Kolben 12 bilden. Die Querschnitssverengungen 15,16 stehen mit Bohrungen 19, 20 zur Führung eines stellkrafterzeugenden Mediums in Verbindung. Der Kolben 12 weist ein Stellelement 21 zur Übertragung der Kolbenbewegung in einem Bereich außerhalb des Gehäuses 10 auf. In ihrem Mittenbereich weist die Bohrung 11 eine Querschnittserweiterung 22 auf in welche ein als Ring aus piezoelektrischem Material ausgebildeter Steller 23 eingebracht ist. An der Stelle der Querschnittserweiterung 22 übernimmt die Innenfläche des Ringes 23 die Führung des Kolbens 12. Die Betriebsspannung zur Querschnittsänderung wird dem Ring 23 über die beiden Leitungen 24, 25 zugeführt.

[0014] Das Teil des Ventils gemäß Figur 1 arbeitet folgendermaßen:

Befindet sich der Kolben 12 in der in Figur 1 gezeigten Stellung, bei der die Stirnfläche 14 an die Anschlagsfläche 18 angrenzt, und soll eine Hinbewegung in die entgegengesetzte Stellung erfolgen, dann wird der Kolben 12 mit Hilfe des Ringes 23 zunächst festgeklemmt. Dazu wird der reziproke Piezoeffekt des aus piezoelektrischem Material bestehenden Ringes 23 ausgenutzt. Eine Verringerung des Ringinnendurchmessers ergibt sich in Abhängigkeit von dem Herstellungsprozess des piezoelektrischen Ringes 23 durch Ein- oder durch Ausschalten der Betriebsspannung an den Zuleitungen 24, 25. Die Zuleitungen 24, 25 können hierbei zu zwei Elektroden führen, die am Innen- bzw. Außenumfang des Ringes 23, vorteilhafterweise jedoch auf den beiden Stirnseiten des Ringes 23 angeordnet sind. Nachdem der Kolben 12 festgeklemmt ist, wird ein in der Bohrung 20 befindliches Fluid, welches gasförmig oder auch flüssig sein kann, auf hohen Druck gebracht, der auf die Stirnfläche 14 des Kolbens 12 eine Stellkraft ausübt. Die Höhe der Kraft ist durch die maximale Klemmkraft des Ringes 23 gegeben. Die Hinbewegung wird ausgelöst durch eine elektrisch gesteuerte Querschnittsvergrößerung des Ringes 23. Wird auf die gegenüberliegende Stirnfläche 13 des Kolbens 12 nur ein geringer oder kein Druck ausgeübt, so bewegt sich der Kolben 12 in Hin-Richtung bis seine Stirnfläche 13 an der gegenüberliegenden Auflagefläche 17 aufschlägt. Damit ist die Hinbewegung abgeschlossen. Die Vorbereitung und Auslösung der Herbewegung entspricht dem beschriebenen Vorbereitungs- und Auslösevorgang der Hinbewegung.

[0015] In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform eines Teils des erfindungsgemäßen ventils gezeigt. In einem Gehäuse 30 befindet sich eine Bohrung 31. In der Bohrung 31 ist dicht und gleitend ein Kolben 32 geführt, der zwei Stirnflächen 33, 34 aufweist. Der Kolben 32 besteht wenigstens teilweise aus piezoelektrischem Material 35 welches gleichzeitig als Steller dient. Das übrige Material kann so ausgewählt werden, daß es der Aufschlagsbelastung beim Auftreffen auf jeweils eine der beiden Auflageflächen 36, 37, welche durch Querschnittsverengungen 38, 39 der Bohrung 31 entstehen, standhält. Die Querschnittsverengungen 38, 39 stehen mit Bohrungen 40, 41 in Verbindung, welche ein stellkrafterzeugendes Fluid führen. Der Kolben 32 ist mit einem Stellelement 42 ausgestattet, das die in der Bohrung 31 stattfindende Kolbenbewegung nach außen überträgt. Die Betriebsspannung zur Querschnittsänderung wird durch zwei Zuleitungen 43, 44 dem piezoelektrischen Material 35 zugeführt.

[0016] Die Wirkungsweise des in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiels entspricht weitgehend derjenigen des in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiels. Ein Unterschied besteht darin, daß das piezokeramische Material 35 im Kolben 32 durch Vergrößerung des Querschnitts gegen die Innenwandung der Bohrung 31 drückt und die Kolbenbewegung dadurch verhindert.

[0017] Figur 3 zeigt eine Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzventil. Ein Gehäuse 50 weist eine Ventilbohrung 51 auf. In der Ventilbohrung 51 ist dicht und gleitend ein kolbenartiges Ventilglied 52 geführt. Das Ventilglied 52 hat eine kegelförmige Stirnfläche 53, die mit einer entsprechenden, hohlkegelförmigen Sitzfläche 54 zusammenwirkt. Die Sitzfläche 54 ist am Übergang einer Einlaßbohrung 55 in die koaxial angeordnete Ventilbohrung 51 angeordnet, wobei die Ventilbohrung 51 einen größeren Durchmesser als die Einlaßbohrung 55 aufweist. An das innere Ende der Sitzfläche 54 anschließend ist koaxial zur Ventilbohrung 51 eine Ringkammer 56 vorgesehen. In die Ringkammer 56 mündet eine Auslaßbohrung 57 ein.

[0018] Die der kegelförmigen Stirnfläche 53 gegenüberliegende Endfläche 58 des Ventilgliedes 52 stützt sich auf eine Druckfeder 59 ab, die mit ihrem anderen Ende gegen einen in der Ventilbohrung 51 angeordneten Anschlag 60 anliegt. Der Anschlag 60 weist wenigstens einen Durchbruch 61 auf.

[0019] Etwa auf der Mitte der axialen Erstreckung des Ventilgliedes 52 ist eine Querschnittserweiterung 62 der Ventilbohrung 51 vorgesehen, in welcher ein koaxial zum Ventilglied 52 angeordneter, als Ring aus piezokeramischen Material ausgebildeter Steiler 63 vorgesehen ist. Der Ring 63 kann über Zuführungsleitungen 64, 65 an eine Betriebsspannung gelegt werden.

[0020] Die in Figur 3 gezeigte Anordnung arbeitet folgendermaßen:

Wird an die Zuführungsleitungen 64, 65 eine Betriebspannung angelegt, so verringert sich der Innendurchmesser des piezoelektrischen Ringes 63. Durch die Kontraktion wird das Ventilglied 52 eingeklemmt, so daß eine Bewegung des Ventil-- gliedes 52 in der Bohrung 51 ausgeschlossen ist. In der Einlaßbohrung 55 kann sich nun ein hoher Druck aufbauen, ohne daß das Ventilglied 52 von der Sitzfläche 54 abgehoben wird. Erst wenn die Betriebsspannung des Ringes 63 abgeschaltet wird und somit die Klemmkraftwirkung aufgehoben wird, kann der in der Einlaßbohrung 55 herrschende Druck das Ventilglied 52 gegen die Kraft der Druckfeder 59 von seinem Sitz abheben. Die beim Bewegungsvorgang des Ventilgliedes 52 erreichbare Geschwindigkeit - d.h. also die erreichbare Stellzeit - hängt nur noch von der Masse des Ventilgliedes 52 ab. Zur Erreichung einer möglichst geringen Stellzeit wird das Ventilglied 52 möglichst massearm ausgeführt. In diesem Ausführungsbeispiel erzeugt das durch das Ventilglied 52 zu steuernde Fluid in der Einlaßbohrung 55 selbst die Stellkraft zur Öffnungsbewegung des Ventilgliedes 52.

[0021] Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß die Klemmkraft symmetrisch auf den Kolben 12, 32 bzw. das Ventilglied 52 wirkt. Die symmetrische Kraftverteilung in Verbindung mit der sich über den gesamten Umfang des Kolbens 12, 32 bzw. des Ventilgliedes 52 erstreckende druckbeaufschlagte Fläche hat eine hohe Klemmkraft bei geringen Arbeitshüben der Piezokeramik 23, 35, 63 zur Folge. Nach Auslösung des Umschaftvorgangs wird das bewegliche Teil 12, 32, 52 an seinem gesamten Außenumfang gleichzeitig freigegeben, so daß die Gleitreibung zwischen dem sich in Bewegung setzenden Teil 12, 32, 52 und dem Steller 23, 63 bzw. zwischen dem Steller-35 und der Innenwandung der Bohrung 31 extrem schnell auf vernachlässigbare geringe Werte absinkt. Dies trägt zum Erreichen kurzer Schaltzeiten bei.

[0022] Eine Erhöhung der Klemmkraft in den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 und 3 läßt sich durch Vergrößerung der Klemmflächen zwischen dem Kolben 12 bzw. dem Ventilglied 52 und dem Ring 23, 63 mittels Querschnittserweiterungen beider zusammenwirkender Teile 12, 23 und 52, 63 erreichen. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 kann zu diesem Zweck eine Querschnittserweiterung im Bereich des Stellers 35 in der Bohrung 31 vorgenommen werden. Eine Beschränkung der Querschnittserweiterung auf nur einen Teil der axialen Erstreckung verbindet den Vorteil der Erhöhung der Klemmfläche mit einer nur geringen Erhöhung der Masse.

Ansprüche

1. Elektrisch ansteuerbares Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Bohrung (11, 51) dicht und gleitend geführten, von einer vorzugsweise durch Druckbeaufschlagung durch ein Fluid erzeugten Stellkraft verschiebbaren Kolben (12, 52) zur Steuerung des Kraftstoffs, mit einem piezoelektrischen Steller, der bis zum Ein- oder Ausschalten einer Betriebsspannung eine Klemmkraft auf den Kolben (12, 52) ausübt und dessen Bewegung verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein als Ring ausgebildeter Steller (23, 63) aus piezoelektrischem Material auf nahezu den gesamten Umfang des Kolbens (12, 52) wirkt.

2. Elektrisch ansteuerbares Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Bohrung (31) dicht und gleitend geführten, von einer vorzugsweise durch Druckbeaufschlagung durch ein Fluid erzeugten Stellkraft verschiebbaren Kolben (32) zur Steuerung des Kraftstoffs, mit einem piezoelektrischen Steller, der bis zum Ein-oder Ausschalten einer Betriebsspannung die Bewegung des Kolbens (32) verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Steller (35) aus piezoelektrischem Material, der Bestandteil des Kolbens (32) ist, auf nahezu den gesamten Umfang der Bohrung (31) wirkt.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (35) mit dem Kolben (32) identisch ist.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12, 52) im Bereich der axialen Erstreckung des Stellers (23, 63) eine Querschnittserweiterung aufweist.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (31) im Berech der axialen Erstreckung des Stellers (35) eine Querschnittserweiterung aufweist.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12, 32, 52) vom druckerzeugenden Fluid gegen die Kraft einer Feder (59), insbesondere Druckfeder (59) bewegbar ist.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stirnfläche (53) des Kolbens (52) mit einer sich insbesondere in Schließbewegungsrichtung verjüngenden hohlkegelförmigen Sitzfläche (54) des Ventils zusammenwirkt.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Druckbeaufschlagung die Stellkraft erzeugende Fluid der mittels der Kolbenbewegung zu steuernde Kraftstoff ist.

Claims

1. Electrically actuable fuel injection valve for internal combustion engines having a piston (12, 52) guided sealingly and slidingly in a bore (11, 51) and displaceable by an actuating force preferably produced by pressure loading by a fluid for the purpose of controlling the fuel, having a piezoelectric actuator which exerts, until the switching on or switching off of an operating voltage, a locking force on the piston (12, 52) and prevents movement of the latter, characterized in that at least one actuator (23, 63) of piezoelectric material constructed as a ring acts on almost the entire circumference of the piston (12, 52).

2. Electrically actuable fuel injection valve for internal combustion engines having a piston (32) guided sealingly and slidingly in a bore (31) and displaceable by an actuating force produced preferably by pressure loading by a fluid for the purpose of controlling the fuel, having a piezoelectric actuator which, until the switching on or switching off of an operating voltage prevents movement of the piston (32), characterized in that at least one actuator (35) of piezoelectric material, being a component of the piston (32), acts on almost the entire circumference of the bore (31).

3. Fuel injection valve according to Claim 2, characterized in that the actuator (35) is identical with the piston (32).

4. Fuel injection valve according to Claim 1, characterized in that the piston (12, 52) has a cross-sectional enlargement in the region of the axial extension of the actuator (23, 63).

5. Fuel injection valve according to Claim 2 or 3, characterized in that the bore (31) has a cross-sectional enlargement in the region of the axial extension of the actuator (35).

6. Fuel injection valve according to Claim 1 or 2, characterized in that the piston (12, 32, 52) is movable by pressure-producing fluid against the force of a spring (59), in particular a pressure spring (59).

7. Fuel injection valve according to Claim 1 or 2, characterized in that at least one end face (53) of the piston (52) co-operates with a bearing surface (54) of the valve, which bearing surface tapers in particular in the direction of the closing movement and which has the shape of a hollow cone.

8. Fuel injection valve according to Claim 1 or 2, characterized in that the fluid producing the actuating force by pressure loading is the fuel to be controlled by means of the piston movement.

Revendications

1. Soupape d'injection de carburant comman- dable électriquement pour moteurs à combustion interne comprenant, pour la commande de carburant un piston (12,52) pouvant se déplacer sous l'action d'un couple de commande créé de préférence par une sollicitation de pression par un fluide et guidé par glissement et de façon étanche dans un alésage (11, 51), un organe de réglage en forme d'anneau piézo-électrique, qui jusqu'à l'enclenchement ou le déclenchement d'une tension de service exerce une force de serrage sur le piston (12, 52) et empêche son déplacement, caractérisée en ce que au moins un organe de réglage (23, 63) en matériau piézo-électrique réalisé en anneau agit à peu près sur toute la périphérie du piston (12,52).

2. Soupape d'injection de carburant comman- dable électriquement pour moteurs à combustion interne comprenant, pour la commande de carburant un piston (32) pouvant se déplacer sous l'action d'un couple de commande créé de préférence par une sollicitation de fluide sous pression et guidé par glissement et de façon étanche dans un alésage (31), et un organe de réglage en forme d'anneau piézo-électrique jusqu'à l'enclenchement ou le déclenchement d'une tension de service empêche le mouvement du piston (32), caractérisée en ce que, au moins un organe de réglage en forme d'anneau (35) en matériau piézo-électrique, qui est partie intégrante du piston (32), agit sur presque toute la périphérie de l'alésage (31

3. Soupape d'injection de carburant selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'organe de réglage en forme d'anneau (35) s'identifie au piston (32).

4. Soupape d'injection de carburant selon la revendication I, caractérisée en ce que le piston (12, 52) présente dans la zone d'extension axiale de l'organe de réglage en forme d'anneau (23, 63), un élargissement de section transversale.

5. Soupape d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que l'alésage (31) présente dans la zone d'extension axiale de l'organe de réglage en forme d'anneau (35) un élargissement de section transversale.

6. Soupape d'injection de carburant selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le piston (12, 32, 52) peut se déplacer sous l'action d'un fluide sous pression opposé à la force d'un ressort (59), en particulier un ressort de pression (59).

7. Soupape d'injection de carburant selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que au moins une surface frontale (53) du piston (52) coopère avec la surface du siège (54) de la soupape en forme de cône s'amincissant notamment dans le sens de fermeture.

8. Soupape d'injection de carburant selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la fluide qui crée le couple de commande par sollicitation de pression est le carburant à distribuer par le mouvement du piston.

Zeichnung