[0001] Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 (DE-C-4 341 739).
[0002] Ein piezoelektrischer Aktor mit hydraulischer Hub - übersetzung für Steuerventile
von Einspritzsystemen ist aus der DE-A-4 119 467 bekannt.
[0003] Um insbesondere Einspritzventile zu erhalten, mit denen auch eine Voreinspritzung
möglich ist, um damit Verbrauch, Abgaswerte, Geräusch usw. zu verbessern, sollen die
Einspritzventile bei hohen Einspritzdrücken schnell schaltbar sein. Bei hohen Speicherdrücken
ist bei Verwendung eines Magnetventils eine Voreinspritzung schwer möglich, da die
Schaltzeiten des Magnetventils zu lang sind und der volle Hub des Ventils durchlaufen
werden muß, damit reproduzierbare Bedingungen, beispielsweise die Einspritzmenge,
erreicht werden. Außerdem ist die Formung der Einspritzrate, d.h. langsames Öffnen,
jedoch schnellstes Schließen der Düsennadel, wobei die Formung der Einspritzrate gemäß
einem Kennfeld vorgenommen werden kann, kaum möglich.
[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einspritzventil bereitzustellen, mit
dem es möglich ist, die Einspritzrate präzise zu regeln, d.h., kleinste reproduzierbare
Voreinspritzmengen, langsame Erhöhung der Einspritzrate zu Beginn der Einspritzung
bei schnellem Schließen der Düsennadel zu ermöglichen.
[0005] Diese Aufgabe wird gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
[0006] Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Abbildung näher erläutert.
[0007] Die Abbildung zeigt ein 2/2-Wegeventil mit Piezoantrieb.
[0008] Das in der Abbildung gezeigte Einspritzventil besteht aus einem langgestreckten Gehäuse
6, auf dessen unterem Ende eine Überwurfmutter 3 aufgeschraubt ist. Mit dieser Überwurfmutter
3 wird vom unteren Ende des Gehäuses 6 aus eine Zwischenscheibe 4 und ein Düsenkörper
1, in welchem eine Düsennadel 2 geführt ist, gehalten. Sowohl die Zwischenscheibe
4 als auch der Düsenkörper 1 weisen eine Mittelbohrung 35 auf, in der die Düsennadel
2 in axialer Richtung verschiebbar geführt ist. An ihrem Ende liegt im gezeichneten
Zustand die Düsennadel 2 an einem ringförmigen Düsensitz 36 an, in dessen Bereich
Düsenlöcher 37, 35 vorgesehen sind, die die Düsennadel 2 verschließt. Am anderen Ende
ist die Düsennadel 2 mit einem Druckbolzen 5 versehen, der in einem im Gehäuse 6 vorgesehenen
Federraum 30 angeordnet ist und von einer im Federraum 30 angeordneten Düsenfeder
7 beaufschlagt wird, so daß die Düsennadel 2 leicht in Richtung auf den Düsensitz
36 vorgespannt wird und diesen verschließt. Das andere Ende der Düsenfeder 7 liegt
an dem dem Druckbolzen 5 gegenüberliegenden Ende des Federraums 30 an, wobei dazwischen
eine Einstellscheibe 9 zur Einstellung der Düsenfedervorspannkraft angeordnet ist.
Mit dem Druckbolzen 5 steht an einem Ende ein Schließkolben 8 in Verbindung, der teilweise
von der Düsenfeder 7 umfaßt wird und an seinem anderen Ende in Bereich eines ersten
Druckraums 11 endet.
[0009] Mit dem Gehäuse 6 ist im oberen Teil der Einspritzdüse eine Ansteuereinrichtung für
die Düsennadel 2 fest verbunden. Im Inneren des Ansteuergehäuses ist ein hydraulisch
übersetzter Piezoantrieb vorgesehen, der aus einem Piezoaktor 20 besteht, der in einem
Verschluß 21 gelagert ist, wobei dieser durch einen O-Ring 22 abgedichtet ist. Ein
Sicherungsring 24 sichert den Piezoaktor 20 im Ansteuergehäuse in axialer Richtung.
Die elektrische Verbindung zum Piezoaktor 20 wird über die elektrischen Anschlüsse
23 hergestellt. Der Piezoaktor 20 liegt an einem Primärkolben 19 an, der auf eine
Tellerfeder 16, die einen großen Durchmesser aufweist, einwirkt. Im Inneren des Primärkolbens
19 ist ein Sekundärkolben 39 vorgesehen, der mit einer Ventilnadel 27 fest verbunden
ist. Im Sekundärkolben 39 ist eine kleine Feder 17 vorgesehen, die zwischen einer
Innenfläche des Primärkolbens 19 und dem Sekundärkolben 39 angeorndet ist und die
Ventilnadel 27 auf einen Ventilsitz 40 drückt, der mit einer Sekundärdrossel 32 in
Verbindung steht. Die Sekundärdrossel 32 steht mit dem ersten Druckraum 11 in Verbindung,
der außerdem über eine Primärdrossel 14 und eine Bohrung 13 mit dem unter Hochdruck
stehenden Kraftstoffzulauf 11 in Verbindung steht. Der Kraftstoffzulauf 12 steht über
eine Zulaufbohrung 10 mit einem zweiten Druckraum 41 in Verbindung, der durch eine
Ausnehmung im Gehäuse 6 im Bereich der Düsennadel 2 gebildet ist, wobei die Düsennadel
in diesem Bereich stufenartig abgesetzt ist, so daß dadurch Steuerflächen für die
Düsennadel 2 gebildet werden.
[0010] Der Raum 31 im Bereich des Ventilsitzes 40 bildet einen Entlastungsraum sowie im
Bedarfsfall eine weitere Drossel zur Formung der Einspritzung und steht mit einem
Niederdruckzulauf 29 in Verbindung, mit dem außerdem eine Leckagebohrung 33, die in
den Federraum 30 mündet, verbunden ist. Weiter steht der Niederdruckzulauf 29 mit
einem Füllzulauf 34 zum Arbeitsraum 28 des Piezoantriebs und einer Entlastungsbohrung
18 über einen Leckageraum 26 mit einem Rücklauf 25 in Verbindung.
[0011] Die Funktionsweise des Einspritzventils ist wie folgt.
[0012] Es sei zunächst angenommen, daß der Piezoaktor 20 spannungslos ist. Damit liegt die
Ventilnadel 27 aufgrund der Kraft der Feder 17 im Sekundärkolben 39 auf ihrem Sitz
40 an, wodurch die Sekundärdrossel 15 verschlossen und somit die Verbindung zum Niederdruckzulauf
29 unterbrochen ist. Der Hochdruck liegt damit über die Primärdrossel 14 an der oberen
großen Fläche des Schließkolbens 8 an. Weiter liegt der Hochdruck an der abgestuften
kleineren wirksamen Fläche der Düsennadel 2 im zweiten Druckraum 41 an, so daß aufgrund
der wirksamen Flächen die Düsennadel 2 (auch ohne die Wirkung der Feder 7) auf ihren
Sitz 36 gedrückt wird, der die Düsenöffnungen 37, 38 verschließt. Über eine Bohrung
15 und die Sekundärdrossel 32 liegt der Hochdruck außerdem am Ventilsitz 40 an.
[0013] Wird nun die Ventilnadel 27 geöffnet, so entweicht durch die Sekundärdrossel 32 ein
Kraftstoff-Volumenstrom. Ist dieser Volumenstrom größer als der durch die Primärdrossel
14 zugeführte Volumenstrom, so sinkt der Druck im ersten Druckraum 11 oberhalb des
Schließkolbens 8, so daß die Düsennadel 2 öffnet, wodurch die Einspritzung des Kraftstoffs
freigegeben wird. Wird die Ventilnadel 27 geschlossen, so erhöht sich der Druck im
ersten Druckraum 11 und die Düsennadel 2 wird wieder auf ihren Sitz 36 gedrückt.
[0014] Die Antriebseinrichtung für die Ventilnadel 27 arbeitet wie folgt.
[0015] Zum Öffnen der Ventilnadel 27 wird der Piezoaktor 20 geladen. Dabei dehnt er sich
aus und schiebt den Primärkolben 19 gegen die Kraft der Tellerfeder 16 nach unten.
Der Arbeitsraum 28 ist vollständig mit Kraftstoff gefüllt, wodurch der Sekundäkolben
39 mit der Ventilnadel 27 gegen die Federkraft der Feder 17 nach oben bewegt wird.
Dadurch wird das Ventil geöffnet. Bei Entladen des Piezoaktors 20 wird die Ventilnadel
27 entsprechend wieder geschlossen.
[0016] Der Temperaturausgleich bzw. die Grundstellung des Ventils wird über definierte Spalte
zwischen Ventilnadel 27 und Primäkolben 19 und zwischen Primärkolben 19 und Sekundärkolben
27 erreicht. Um eine ständige vollständige Befüllung des Arbeitsraums 28 zu gewährleisten,
bleibt der Rücklauf 25 am Einspritzventil immer mit einem Niederdruck beaufschlagt.
1. Einspritzventil für Kraftstoffeinspritz-Systeme, mit
- einer in einem Ventilgehäuse (1) angeordneten Düsennadel (2), die von einer Düsenfeder
(7) gegen einen Düsensitz (36) vorgespannt ist und zumindest eine Einspritzdüsenöffnung
(37, 38) öffnen und schließen kann,
- einem Kraftstoffzulauf (12), der über einen ersten Druckraum (11) mit einer ersten
Steuerfläche und über einen zweiten Druckraum (41) mit einer zweiten Steuerfläche
der Düsennadel (2) in Verbindung steht, wobei ein Druck auf die erste Steuerfläche
die Düsennadel (2) auf den zugeordneten Düsensitz (36) drückt und ein Druck auf die
zweite Steuerfläche die Düsennadel (2) vom Düsensitz (36) abhebt,
- einer Ansteuereinrichtung, die eine Ventilnadel (27) ansteuert, um die erste Steuerfläche
zur Steuerung der Kraftstoff-Einspritzung druckmäßig zu entlasten,
- der erste Druckraum (11) steht mit dem Kraftstoffzulauf (12) über eine Primärdrossel
(14) und über eine Sekundärdrossel (32) mit einem Entlastungsraum (31) in Verbindung,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Ansteuereinrichtung einen piezoelektrischen Aktor (20) aufweist, der über
eine hydraulische Übersetzung (19) die Ventilnadel (27) ansteuert, die den Durchfluß
durch die Sekundärdrossel (32) steuert und
- daß zwischen der Ventilnadel (27) und dem Ventilgehäuse (1) sowie zwischen einem
die Ansteuereinrichtung aufweisenden Primärkolben (19) und Sekundärkolben (39) sowie
zwischen Primärkolben (19) und dem Ventilgehäuse (1) Spalte vorgesehen sind, über
die eine geringe Leckage stattfinden kann, wodurch ein Arbeitsraum (28) immer mit
Flüssigkeit gefüllt ist und daß bei Wärmedehnungen die piezoelektrische Ansteuereinrichtung
eine spielausgeglichene, mit Druckspannung vorgespannte und eindeutig definierte Ausgangslage
hat.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (20) an einem
Primärkolben (19) anliegt,
- daß im Primärkolben (19) ein Sekundärkolben (39) geführt ist, daß der Primärkolben
(19), der Sekundärkolben (39) und das Ventilgehäuse (1) einen Arbeitsraum (28) begrenzen,
- daß der Arbeitsraum (28) mit Flüssigkeit gefüllt ist, so daß der Sekundärkolben
(39) bei einer Bewegung des Primärkolbens (19) entgegen der Bewegungsrichtung des
Primärkolbens (19) bewegt wird,
- daß der Sekundärkolben (39) mit der Ventilnadel (27) verbunden ist, die auf einem
Ventilsitz (40) anliegt,
- daß bei einer Auslenkung des piezoelektrischen Aktors (20) der Sekundärkolben (39)
entgegen dem Primärkolben (19) bewegt wird und die Ventilnadel (27) vom Ventilsitz
(40) abhebt, so daß die Sekundärdrossel (15) geöffnet wird.
3. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlastungsraum (31) als weitere Drossel ausgebildet ist.
4. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und Sekundärdrossel (14, 32) so ausgelegt ist, daß der beim Öffnen
der Ventilnadel (27) sich einstellende Kraftstoff-Volumenstrom durch die Sekundärdrossel
(32) größer ist als durch die Primärdrossel (14).
5. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (27) als Sitzventil ausgebildet ist, das den Öffnungsgrad der
die dem Druckraum (11) abgewandten Öffnung der Sekundärdrossel (32) regelt.
1. Injection valve for fuel injection systems, with
- a nozzle needle (2) mounted in a valve housing (1), said nozzle needle being biased
against a nozzle seat (36) by a nozzle spring (7) and able to open and close at least
one injection nozzle orifice (37, 38),
- a fuel inlet (12) which is connected to a first control surface via a first pressure
chamber (11) and to a second control surface of the nozzle needle (2) via a second
pressure chamber (41), a pressure applied to the first control surface pressing the
nozzle needle (2) onto the assigned nozzle seat (36) and a pressure applied to the
second control surface lifting the nozzle needle (2) off the nozzle seat (36),
- a control device controlling a valve needle (27) to relieve the pressure on the
first control surface to control the injection of fuel,
- the first pressure chamber (11) being connected to the fuel inlet (12) via a primary
throttle (14) and to a relief chamber (31) via a secondary throttle (32),
characterised in that
- the control device has a piezoelectric actuator (20) which controls the valve needle
(27) via a hydraulic translator (19), said valve needle controlling the flow through
the secondary throttle (32) and that
- gaps are provided between the valve needle (27) and the valve housing (1) and between
a primary plunger (19) containing the control device and a secondary plunger (39)
and between primary plunger (19) and the valve housing (1), a slight leakage being
possible via said gaps, causing a working chamber (28) always to be filled with fluid,
and that on thermal expansion the piezoelectric control device has an initial state
that is backlash-compensated, compressively pre-stressed and uniquely defined.
2. Injection valve according to Claim 1, characterised in that the actuator (20) is mounted
on a primary plunger (19),
- a secondary plunger (39) is guided in the primary plunger (19), the primary plunger
(19), the secondary plunger (39) and the valve housing (1) delimiting a working chamber
(28),
- the working chamber (28) is filled with fluid so that the secondary plunger (39)
is moved against the direction of travel of the primary plunger (19) when the primary
plunger (19) is moved,
- the secondary plunger (39) is connected to the valve needle (27) which rests on
a valve seat (40),
- when the piezoelectric actuator (20) is displaced, the secondary plunger (39) is
moved contrary to the primary plunger (19) and the valve needle (27) lifts off the
valve seat (40) so that the secondary throttle (15) is opened.
3. Injection valve according to Claim 1, characterised in that the relief chamber (31)
is embodied as another throttle.
4. Injection valve according to Claim 1, characterised in that the primary and secondary
throttles (14, 32) are designed such that the volume flow of fuel through the secondary
throttle (32) when the valve needle (27) is opened is greater than through the primary
throttle (14).
5. Injection valve according to Claim 1, characterised in that the valve needle (27)
is designed as a seated valve which regulates the degree of opening of the orifice
of the secondary throttle (32) facing away from the pressure chamber (11).
1. Injecteur pour système d'injection de carburant, comportant:
- une aiguille d'injection (2) disposée dans un carter d'injecteur (1), qui est sollicitée
par un ressort d'injecteur (7) contre un siège d'injecteur (36), et qui peut ouvrir
et fermer au moins un orifice d'injecteur (37, 38),
- une arrivée de carburant (12), qui est reliée, par une première chambre sous pression
(11), à une première surface de commande, et, par une deuxième chambre sous pression
(41), à une deuxième surface de commande de l'aiguille d'injection (2), une pression
sur la première surface de commande appliquant l'aiguille d'injection (2) sur le siège
d'injecteur associé (36) et une pression sur la deuxième surface de commande levant
l'aiguille d'injection (2) du siège d'injecteur (36),
- un dispositif d'actionnement, qui commande une aiguille d'injection (27) pour décharger
de la pression la première surface de commande en vue de commander l'injection de
carburant,
- la première chambre sous pression (11) étant reliée à l'arrivée de carburant (12)
par un ajutage primaire (14), et, par un ajutage secondaire (32), à une chambre de
détente (31),
caractérisé en ce que
- le dispositif d'actionnement comporte un actionneur piézo-électrique (20), qui commande,
au moyen d'un dispositif de transformation hydraulique (19), l'aiguille d'injection
(27) commandant le passage au travers de l'ajutage secondaire (32), et
- en ce qu'entre l'aiguille d'injection (27) et le carter d'injecteur (1), ainsi qu'entre
un piston primaire (19), présentant le dispositif d'actionnement, et un piston secondaire
(39), ainsi qu'entre le piston primaire (19) et le carter d'injecteur (1), sont prévus
des interstices au travers desquels peut se produire une faible fuite, ce qui a pour
effet qu'une chambre de travail (28) est toujours remplie de fluide, et que, lors
de dilatations thermiques, l'actionnement de commande piézo-électrique a une position
initiale rattrapant les jeux, soumise à une précontrainte de pression, et définie
de façon univoque.
2. Injecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur (20) est
au contact d'un piston primaire (19),
- en ce qu'un piston secondaire (39) est guidé dans le piston primaire (19), en ce
que le piston primaire (19), le piston secondaire (39) et le carter d'injecteur (1)
délimitent une chambre de travail (28),
- en ce que la chambre de travail (28) est remplie de liquide, de façon, lorsque le
piston primaire (19) se déplace, à faire déplacer le piston secondaire (39) dans le
sens opposé au mouvement du piston primaire (19),
- en ce que le piston secondaire (39) est relié à l'aiguille d'injection (27) qui
est en contact avec un siège d'injecteur (40),
- en ce que lorsqu'il se produit une déformation de l'actionneur piézo-électrique
(20), le piston secondaire (39) se déplace dans le sens opposé au piston primaire
(19), et l'aiguille d'injection (27) se soulève du siège d'injecteur (40), de telle
façon que l'ajutage secondaire (15) s'ouvre.
3. Injecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de détente
(31) est réalisée sous la forme d'un autre ajutage.
4. Injecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les ajutages primaire
(14) et secondaire (32) sont dimensionnés de telle façon que le débit volumique de
carburant, se réglant au moment de l'ouverture de l'aiguille d'injection (27) et traversant
l'ajutage secondaire (32), soit plus grand que celui traversant l'ajutage primaire
(14).
5. Injecteur suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'aiguille d'injection
(27) est réalisée sous la forme d'une vanne à siège, qui règle le degré de l'ouverture
de l'ajutage secondaire (32), située à l'opposé de la chambre sous pression (11).