Stand der Technik
[0001] Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
[0002] Koppler, insbesondere hydraulisch arbeitende Koppler in Brennstoffeinspritzventilen
mit Piezo-Antrieb, zur Kompensation von temperatur- und druckbedingten Längenänderungen
von Bauteilen, insbesondere des Aktors, sowie Längenänderungen aufgrund von Verschleiß,
sind aus dem Stand der Technik bekannt.
[0003] Beispielsweise ist aus der DE 101 37 210 A1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem
piezoelektrischen Aktor bekannt, welcher in Wirkverbindung mit einer Ventilnadel steht.
Die Ventilnadel weist an ihrem abspritzseitigen Ende einen Ventilschließkörper auf,
der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Ein Koppler, welcher
zum Ausgleich von Längenänderungen von Bauteilen des Brennstoffeinspritzventils, insbesondere
von temperaturbedingten Längenänderungen des Aktors, dient, ist zwischen der Ventilnadel
und dem Aktor angeordnet. Der Koppler weist zwei gegeneinander axial bewegliche Abschnitte
bzw. Kolben auf, die zwei Ringspalte und ein Hydraulik-Volumen bilden. Die Ringspalte
verbinden das Hydraulik-Volumen mit dem brennstoffbefüllten Inneren des Ventilkörpers.
Zum Ausgleich von Längenänderungen des Aktors wird Brennstoff über die Ringspalte
zu- oder abgegeben. Durch eine um die Ventilnadel spiralförmig herum verlaufende Schließfeder
wird die Vorspannung, mit der die beiden Kolben auf das Hydraulik-Volumen wirken,
eingestellt.
[0004] Nachteilig bei dem obengenannten Stand der Technik ist insbesondere, daß hohe Kopplerinnendrücke
nur durch entsprechend hohe Vorspannkräfte erreicht werden können. Bei geringen Kopplerinnendrücken
steigt die Kavitationsneigung des verwendeten Hydraulikmediums, starke Vorspannkräfte
sind ungünstig für die Ventildynamik und die Einstellgenauigkeit. Außerdem müssen
Bauteile größer bemessen werden, um den erhöhten Kräften dauerhaft standzuhalten.
Vorteile der Erfindung
[0005] Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
hat demgegenüber den Vorteil, daß bei relativ niedrigen Vorspannkräften hohe Kopplerinnendrücke
erzielt werden können. Die Kavitationsneigung des Hydraulikmediums ist bei gleichzeitiger
guter Ventildynamik und geringen Bauteilabmessungen sehr gering. Die Dauerhaltbarkeit
und Zuverlässigkeit sowie die Ventildynamik des Brennstoffeinspritzventils werden
dadurch ebenfalls verbessert. Außerdem können die Vorspannkräfte genauer und leichter
eingestellt werden.
[0006] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen
des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
[0007] In ersten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils ist das
Druckelement spiralförmig und dauerelastisch ausgebildet. Das Druckelement kann dadurch
vorteilhaft kompakt angeordnet werden und die Vorspannkraft kann dauerhaft konstant
halten.
[0008] Vorteilhaft ist es zudem, wenn der erste Koppler-Abschnitt und der zweite Koppler-Abschnitt
zylinderförmig ausgebildet sind, der Spalt als Ringspalt ausgebildet ist und die Ausnehmung
hohlzylindrisch geformt ist. Dadurch läßt sich der Koppler besonders einfach, kompakt
und leicht aufbauen.
[0009] In einer weiteren Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
verjüngt sich der erste Abschnitt in einem zylindrischen Fortsatz vom Hydraulik-Volumen
weggerichtet. Auch dadurch ist eine sehr kompakte Bauweise möglich. Insbesondere läßt
sich das Druckelement besonders günstig platzieren, wobei es dafür besonders günstig
ist, daß sich der Fortsatz zudem durch eine Stufe auf Höhe der Oberkante der Ausnehmung
verjüngt und der Fortsatz koaxial zum ersten Abschnitt angeordnet ist.
[0010] Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Fortsatz einen axial verlaufenden Kanal aufweist,
der über eine dazu mit einem radialen Richtungsanteil verlaufende Öffnung mit dem
Ausgleichsraum verbunden ist. Der Koppler läßt sich dadurch in besonders einfacher
Weise mit Hydraulikmedium befüllen und durch einen Kugelkörper verschließen.
[0011] Wird ein Ende des flexiblen Abschnitts an der radialen Außenfläche des ersten Abschnitts
und das andere Ende des flexiblen Abschnitts an der radialen Außenfläche des zweiten
Koppler-Abschnitts hermetisch dicht gefügt, kann der Ausgleichsraum besonders einfach
gebildet und vorteilhaft platziert werden. Dies läßt sich weiter verbessern, indem
ein Ende des flexiblen Abschnitts zwischen dem ersten Abschnitt und dem ersten Halter
und/oder das andere Ende des flexiblen Abschnitts zwischen dem zweiten Abschnitt und
dem zweiten Halter geklemmt ist.
[0012] Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Druckelement unter Zwischenlage eines Zwischenlageelements
auf den flexiblen Abschnitt drückt. Der im Ausgleichsraum herrschende Druck kann dadurch
besonders einfach eingestellt und angepasst werden.
[0013] Vorteilhaft ist es zudem, wenn das Zwischenlageelement ringförmig oder lochscheibenförmig
ist, wobei die auf dem flexiblen Abschnitt aufliegende Fläche im Querschnitt kreissegmentförmig
bzw. abgerundet ist. Der auf den flexiblen Abschnitt wirkende Druck läßt sich dadurch
gleichmäßiger verteilen und der Koppler läßt sich kompakter gestalten, wie auch durch
die hülsenförmige Ausbildung zumindest einer der Halter.
[0014] Vorteilhafterweise verjüngt sich der zweite Halter stufenförmig. Dadurch ist eine
sehr kompakte und einfache Bauweise des Kopplers möglich.
[0015] Weiterhin ist es vorteilhaft, den ersten Halter an seinem dem ersten Abschnitt zugewandten
Ende abzurunden. Der flexible Abschnitt wird dadurch weniger belastet und dauerhaltbarer.
[0016] In einer weiteren Weiterbildung ist das Hydraulik-Volumen, zusätzlich zum Spalt,
mit dem Ausgleichsraum durch zumindest eine Drosselbohrung verbunden. Die hydraulischen
Eigenschaften des Kopplers lassen sich dadurch vorteilhaft und einfach beeinflussen
und leicht einstellen.
Zeichnung
[0017] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine vereinfachte schematische axiale Schnittdarstellung durch das Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
[0018] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft beschrieben.
[0019] Ein in Fig. 1 in einer axialen Schnittdarstellung gezeigtes erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil
1 dient insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer
gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
[0020] In einem sich stufenartig nach unten in Abspritzrichtung verjüngenden hohlzylindrischen
Ventilgehäuse 38 sind eine Ventilnadel 8, ein Aktor 2 und ein hydraulischer Koppler
3 jeweils zueinander koaxial angeordnet. Oben, zuströmseitig ist das Gehäuse 38 durch
einen Gehäusedeckel 4 hermetisch dicht verschlossen. Am Gehäusedeckel 4 stützt sich
an der Innenseite der Aktor 2 mit seinem zuströmseitigen Ende ab. Abströmseitig weist
der Aktor 2 einen scheibenförmigen Aktorkopf 10 auf. Der Aktorkopf 10 ist in einem
hohlzylindrischen Aktormodulgehäuse 9 axial beweglich geführt. Das Aktorgehäuse 5
ist abströmseitig mit der Ventilnadel 8 über einen Wellbalg 39 verbunden, der den
Aktorraum 42 hermetisch vom Kraftstoff abdichtet. Ein zweites Federelement 22 ist
zwischen dem Aktorkopf 10 und dem zweiten Flansch 15 mit einer Vorspannung eingespannt
und hält den Aktorkopf 10 in ständiger Anlage an den Aktor 2.
[0021] Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der hydraulische Koppler 3 zwischen dem Aktor
2 und der Ventilnadel 8 angeordnet, wobei ein erster zylinderförmiger Koppler-Abschnitt
23 zuströmseitig und ein zweiter zylinderförmiger Koppler-Abschnitt 24 abströmseitig
angeordnet sind. Der erste im Durchmesser kleinere Koppler-Abschnitt 23 greift in
eine koaxial im zweiten Abschnitt 24 zuströmseitig angeordnete hohlzylinderförmige
Ausnehmung 16 teilweise ein. Umfänglich des ersten Koppler-Abschnitts 23, zwischen
dem ersten und zweiten Koppler-Abschnitt 23, 24, bildet sich dabei ein als Ringspalt
ausgeführter Spalt 27 aus. Der Spalt 27 verbindet ein zwischen den sich gegenüberliegenden
axialen Innenflächen von erstem und zweitem Koppler-Abschnitt 23, 24 liegendes Hydraulik-Volumen
17 und einen Ausgleichsraum 21.
[0022] Die Größe des Hydraulik-Volumens 17 ist durch die gegeneinander axial verschiebbaren
beiden Koppler-Abschnitte 23, 24 variierbar. Der erste Koppler-Abschnitt 23 weist
einen koaxial angeordneten zylinderförmigen bzw. stabförmigen Fortsatz 32 auf. Der
Fortsatz 32 ist dabei auf der vom Hydraulik-Volumen 17 weggerichteten axialen Seite
des ersten Koppler-Abschnitts 23, also zum Aktor 2 hin, angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
verjüngt sich der erste Koppler-Abschnitt 23 durch eine etwa auf Höhe der Oberkante
der Ausnehmung 16 liegende Stufe 33 zu dem Fortsatz 32. Ein im Fortsatz 32 axial und
koaxial verlaufender Kanal 26, der beispielsweise durch Bohren hergestellt ist, ist
durch eine in der Wandung des Fortsatzes 32 angeordnete Öffnung 34 mit dem Ausgleichsraum
21 verbunden. Zuströmseitig greift der Fortsatz 32 bis zum Aktorkopf 10 teilweise
in das Aktorgehäuse 9 ein und ist mit dem Aktorkopf 10 gefügt, beispielsweise stoff-
oder kraftschlüssig.
[0023] Ein flexibler Abschnitt 25, der lochscheibenähnlich als Membran ausgebildet ist,
sich jedoch an seinen Enden auch axial erstreckt, ist im Bereich seines Außenumfangs
an der radialen Außenfläche des zweiten Abschnitts 24 hermetisch dicht gefügt. Im
Bereich seines Innenumfangs ist der flexible Abschnitt 25 an der radialen Außenfläche
des Fortsatzes 32 hermetisch dicht gefügt, wobei der Fortsatz 32 den flexiblen Abschnitt
25 mittig durchgreift. Der flexible Abschnitt 25, der erste Koppler-Abschnitt 23 mit
dem Fortsatz 32 und der zweite Koppler-Abschnitt 24 begrenzen in dieser Weise den
Ausgleichsraum 21.
[0024] Ein erster hülsenförmiger Halter 29 ist über den Fortsatz 32 gestülpt und klemmt
den flexiblen Abschnitt 25 im Bereich seines Innenumfangs zwischen sich und dem Fortsatz
32 form- und/oder kraftschlüssig und hermetisch dicht fest. Das dem flexiblen Abschnitt
25 zugewandte und an ihm aufliegende Ende des ersten Halters 29 ist abgerundet. Der
erste Halter 29 ist bewegungsfest mit dem Fortsatz 32 beispielsweise durch eine Schweißung
verbunden.
[0025] Ein zweiter hülsenförmiger Halter 30 umgreift mit einem abströmseitigen axialen Teilabschnitt
den zweiten Koppler-Abschnitt 24 und ist hier mit der radialen Außenfläche des zweiten
Koppler-Abschnitts 24 beispielsweise durch eine Schweißung gefügt. Der Bereich des
Außenumfangs des flexiblen Abschnitts 25 ist zwischen dem abströmseitigen axialen
Teilabschnitt des zweiten Halters 30 und dem zweiten Koppler-Abschnitt 24 hermetisch
dicht geklemmt. Ein um den Fortsatz 32 umlaufender axialer Teilbereich des zweiten
Halter 30 verjüngt sich stufenförmig, wobei das zuströmseitige Ende durchmesserverkleinernd
zu einem Einzug 37 eingezogen ist und dabei den Fortsatz 32 radial umgibt.
[0026] Der flexible Abschnitt 25 und damit der Ausgleichsraum 21 bzw. das im Ausgleichsraum
21 befindliche Hydraulikmedium ist durch ein unter einer Vorspannung stehendes Druckelement
28 mit Druck beaufschlagt. Das im gezeigten Ausführungsbeispiel spiralförmige und
dauerelastische Druckelement 28 drückt mit einem Ende über ein Zwischenlageelement
31 auf den flexiblen Abschnitt 25 von außerhalb des Ausgleichsraums 21 und stützt
sich dabei mit dem anderen Ende an dem mit dem zweiten Koppler-Abschnitt 24 bewegungsfest
verbundenen zweiten Halter 30 am Einzug 37 ab. In anderen Ausführungsbeispielen stützt
sich das andere Ende des Druckelements 28 am mit dem ersten Koppler-Abschnitt 23 bewegungsfest
verbundenen ersten Halter 29 ab.
[0027] Das Zwischenlageelement 31 ist in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig, umgibt den
Fortsatz 32 radial und ist an den mit dem flexiblen Abschnitt 25 berührenden Flächen
abgerundet.
[0028] Der Ausgleichsraum 21 ist neben dem Spalt 27 durch eine axial im zweiten Koppler-Abschnitt
24 angeordnete Drosselbohrung 36 mit dem Hydraulik-Volumen 17 verbunden.
[0029] Der Ausgleichsraum 21, der Spalt 27, die Öffnung 34 und der Kanal 26 sind vollständig
mit dem Hydraulikmedium gefüllt, welches durch den Kanal 26 eingefüllt ist. Der Kanal
26 ist nach dem Einfüllen durch einen Kugelkörper 35 druckfest verschlossen.
[0030] Abspritzseitig weist die Ventilnadel 8 einen Ventilschließkörper 7 auf und greift
durch einen am abspritzseitigen Ende des Gehäuses 38 angeordneten Ventilsitzkörper
6. Der Ventilsitzkörper 6 weist eine zentriert angeordnete Abspritzöffnung 12 und
eine Ventilsitzfläche 13 auf, die mit dem Ventilschließkörper 7 zu einem Dichtsitz
zusammenwirkt. Zuströmseitig weist die Ventilnadel 8 einen ersten Flansch 14 auf.
Zwischen dem ersten Flansch 14 und dem Ventilsitzkörper 6 ist ein erstes Federelement
20 eingespannt, das den Ventilschließkörper 7 in den Dichtsitz zieht und wie das zweite
Federelement 22 spiralförmig ausgebildet ist. Das Brennstoffeinspritzventil 1 öffnet
nach außen.
[0031] Wird der Aktor 2 über eine nicht dargestellte elektrische Leitung erregt, so dehnt
er sich schnell aus. Da das Hydraulikmedium nicht schnell genug durch den Spalt 27
und die Drosselbohrung 36 aus dem Hydraulik-Volumen 17 abfließen kann, verhält sich
der Koppler 3 sehr hart, wodurch die Längenausdehnung des Aktors 2 fast vollständig
auf die Ventilnadel 8 wirkt. Die Ventilnadel 8 wird entgegen der Vorspannkraft des
ersten Federelements 20 axial in Abspritzrichtung bewegt. Dadurch öffnet der Dichtsitz
und der druckbehaftet zugeleitete Brennstoff wird über die Abspritzöffnung 12 in den
nicht dargestellten Brennraum abgespritzt. Langsame Längenänderungen des Aktors 2
werden durch den Austausch von Hydraulikmedium zwischen dem Hydraulik-Volumen 17 und
dem Ausgleichsraum 21 ausgeglichen.
[0032] Der Druck im Ausgleichsraum 21 ergibt sich dabei aus der durch die effektiv auf den
flexiblen Abschnitt 25 wirkende geteilte Federkraft des Druckelements 28. Die Rückstellkraft
des Kopplers 3 ergibt sich aus dem Druck im Ausgleichsraum 21 multipliziert mit der
effektiv zum Aktor 2 hin gerichteten Fläche, die mit Druck durch das Hydraulikmedium
beaufschlagt ist.
[0033] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und
kann z. B. auch für nach innen öffnende Brennstoffeinspritzventile verwendet werden.
1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff
in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem piezoelektrischen, elektrostriktiven
oder magnetostriktiven Aktor (2), einem mit dem Aktor (2) in Wirkverbindung stehenden
Ventilschließkörper (7), der mit einer Ventilsitzfläche (13) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt,
und einem Koppler (3), der einen ersten Koppler-Abschnitt (23) und einen zweiten Koppler-Abschnitt
(24) aufweist, wobei der erste Koppler-Abschnitt (23) axial verschiebbar in eine Ausnehmung
(16) des zweiten Koppler-Abschnitts (24) unter Beibehaltung eines als Drosselstelle
ausgebildeten Spalts (27) und unter Bildung eines Hydraulik-Volumens (17) eingreift,
und wobei die beiden Koppler-Abschnitte (23, 24) über ein Hydraulikmedium in Wirkverbindung
stehen und der Spalt (27) das Hydraulik-Volumen (17) mit einem Ausgleichsraum (21)
verbindet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausgleichsraum (21) durch den ersten und zweiten Koppler-Abschnitt (23, 24) und
einen flexiblen Abschnitt (25) begrenzt ist und der flexible Abschnitt (21) durch
ein Ende eines Druckelements (28) mit Druck beaufschlagt ist, wobei sich das andere
Ende des Druckelements (28) an einem ersten Halter (29), der mit dem ersten Koppler-Abschnitt
(23) verbunden ist, oder an einem zweiten Halter (30), der mit dem zweiten Koppler-Abschnitt
(24) verbunden ist, abstützt.
2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Druckelement (28) spiralförmig ausgebildet ist
3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Druckelement (28) dauerelastisch ist.
4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Koppler-Abschnitt (23) und der zweite Koppler-Abschnitt (24) zylinderförmig
ausgebildet sind und der Spalt (27) als Ringspalt ausgebildet ist, wobei die Ausnehmung
(16) hohlzylindrisch geformt ist.
5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Koppler-Abschnitt (23) sich in axialer, vom Hydraulik-Volumen (17) weggerichteter
Richtung zu einem zylindrischen Fortsatz (32) verjüngt.
6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der erste Koppler-Abschnitt (23) auf Höhe einer Oberkante der Ausnehmung (16)
durch eine Stufe (33) zu dem zylindrischen Fortsatz (32) verjüngt.
7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Fortsatz (32) koaxial zum ersten Koppler-Abschnitt (23) angeordnet ist.
8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Fortsatz (32) einen axial verlaufenden Kanal (26) aufweist, der über eine dazu
mit einem radialen Richtungsanteil verlaufende Öffnung (34) mit dem Ausgleichsraum
(21) verbunden ist.
9. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kanal (26) durch einen Kugelkörper (35) verschlossen ist.
10. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der flexible Abschnitt (25) als Membran ausgebildet ist und lochscheiben- oder schlauchförmig
ist.
11. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils ein Ende des flexiblen Abschnitts (25) an der radialen Außenfläche des ersten
Koppler-Abschnitts (23) und am zweiten Koppler-Abschnitt (24) hermetisch dicht gefügt
ist.
12. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Ende des flexiblen Abschnitts (25) zwischen dem ersten Koppler-Abschnitt (24)
und dem ersten Halter (29) und/oder das andere Ende des flexiblen Abschnitts (25)
zwischen dem zweiten Koppler-Abschnitt (24) und dem zweiten Halter (30) geklemmt ist.
13. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Druckelement (28) unter Zwischenlage eines Zwischenlageelements (31) auf den
flexiblen Abschnitt (25) drückt.
14. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zwischenlageelement (31) ringförmig und/oder lochscheibenförmig ist, wobei die
auf dem flexiblen Abschnitt (25) aufliegende Fläche des Zwischenlageelements (31)
kreissegmentförmig und/oder abgerundet ist.
15. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest einer der Halter (29, 30) hülsenförmig ausgebildet ist.
16. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Halter (30) sich stufenförmig verjüngt.
17. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Halter (29) an einem dem flexiblen Abschnitt (25) zugewandten Ende abgerundet
ist.
18. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Hydraulik-Volumen (17) mit dem Ausgleichsraum (21) durch zumindest eine Drosselbohrung
verbunden ist.