Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für Kraft
stoffeinspritzsysteme nach der im Oberbegriff von An
spruch 1 näher definierten Art.
Ein gattungsgemäßes Einspritzventil ist aus der DE 195 19 191 C2 bekannt. Dabei ist zwischen einem Piezostack
und der Düsennadel des Einspritzventiles eine hydrau
lische Weg-Übersetzungseinheit mit einem Verdränger
kolben und einem dem Verdrängerkolben nachgeschalteten
Steuerkolben. Nachteilig dabei ist jedoch, daß bei der
Wegübersetzung die Betätigungskraft für die Düsennadel
zurückgeht.
In der DE 195 00 706 A1 ist ein Kraftstoff-Einspritz
ventil für Brennkraftmaschinen bekannt, welches einen
hydraulischen Wegverstärker zur Umsetzung eines Stell
weges eines piezoelektrischen Aktors aufweist. Bei
diesem Ventil sind fluidzuführende und fluidabführende
Kanäle voneinander getrennt, wobei das Fluid durch
einen in dem Ventilgehäuse angeordneten Kanal in einen
Ringraum geführt wird. Nachteilig bei diesem Ein
spritzventil ist jedoch, daß zwar der Weg verstärkt
wird, gleichzeitig jedoch über das Hebelgesetz die
Betätigungskraft verringert wird. Nachteilig ist wei
terhin, daß der Kanal das Kraftstoff-Einspritzventil
während der Zuführung von Kraftstoff in den Ringraum
einer Biegespannung unterwirft.
Zum weiteren Stand der Technik wird auf die EP 0 218 895 B1 verwiesen, aus der ein Zumessventil zur Dosie
rung von Flüssigkeiten oder Gasen mit einem piezoelek
trischen Stellglied bekannt ist. Auf das piezoelektri
sche Stellglied wirkt dabei direkt der Druck, mit wel
chem das Ventil beaufschlagt wird. Bei den in Kraft
stoffeinspritzsystemen auftretenden Drücken von ca.
1000 bar ist eine exakte Funktion des Ventiles auf
grund von Stellwegverlusten der Ventilnadel nicht mehr
gewährleistet. Nachteilig ist weiterhin auch, daß nach
dem Abheben der Ventilnadel aus dem Ventilsitz der
Kraftstoff durch den entstehenden Spalt unkontrollier
bar in den Brennraum einspritzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Einspritzventil der eingangs erwähnten Art zu
schaffen, mit welchem eine Kraftstoffeinspritzung mit
hoher Genauigkeit und präzise und ohne Kraftverlust
durch eine Weg-Übesetzung möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn
zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale
gelöst.
Durch den Einsatz eines hydraulischen Folgeverstärkers
in Form eines Arbeitskolbens ist es möglich, das Sy
stem kräftemäßig zu entkoppeln. Dabei wird der Weg des
Piezostacks auf einen Verdrängerkolben übertragen. Ein
dem Verdrängerkolben nachgeschalteter Steuerkolben,
der den durch den Piezostack erzeugten Verstellweg
vergrößert, bewegt sich mit einem vorgegebenen Über
setzungsverhältnis in Richtung Düsennadel. Über den
Arbeitskolben, der die Stellkraft erhöht, erfolgt dann
die Betätigung der Düsennadel.
Die erfindungsgemäße Wegverstärkung ist von der Kraft
entkoppelt, weil die Kraftaufbringung für das Öffnen
der Düsennadel nur über den Systemdruck, z. B. einem
Raildruck, erfolgt. Da man keinen Kraftverlust in der
Übersetzung bekommt, hat die Piezostackstellung auch
keinen negativen Einfluß auf die Öffnung der Düsenna
del.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfin
dung ist vorgesehen, daß für einen hydraulischen Län
genausgleich des Piezostacks zwischen dem Verdränger
kolben und dem Steuerkolben eine Druckausgleichskammer
angeordnet ist, die einerseits mit einer Leckagelei
tung des Steuerkolbens und andererseits mit einer
Leckageleitung des Verdrängerkolbens verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Druckausgleichskammer mit ihrem
hydraulischen Ausgleichsvolumen dient zur Kompensation
von Temperatur- und Längendehnungseffekten des Pie
zostacks.
In einer weiteren, ebenfalls sehr vorteilhaften Ausge
staltung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein,
daß für einen hydraulischen Längenausgleich für die
Düsennadel zwischen der Düsennadel und dem Arbeitskol
ben ein Druckstück angeordnet ist, wobei sich zwischen
dem Druckstück und dem Arbeitskolben ein Längenaus
gleichsraum mit einer Ausgleichsfeder befindet.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird ein
hydraulischer Längenausgleich für die Düsennadel be
dingt durch thermische und hydraulische Längenänderun
gen erreicht.
Das erfindungsgemäße Einspritzventil ist mit dem glei
chen Wirkprinzip für sowohl nach außen als auch nach
innen öffnende Düsennadeln geeignet.
Vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen
und aus den nachfolgend, anhand der Zeichnung prinzip
mäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Gesamtdarstellung eines erfindungsgemäßen
Einspritzventils,
Fig. 2 eine Ausschnittvergrößerung des Kreises "X" in
der Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt durch ein Einspritzventil mit
einer nach innen sich öffnenden Düsennadel,
und
Fig. 4 eine Ausschnittvergrößerung des Kreises "Y" in
der Fig. 3.
Das in der Fig. 1 dargestellte Einspritzventil 1
weist ein Injektorgehäuse 2, eine Piezoführung 3, in
welcher ein Piezostack 4 angeordnet ist, und ein mit
dem Injektorgehäuse 2 mittels einer Überwurfmutter 5
verbundenes Ventilgehäuse 6 auf. In dem Ventilgehäuse
6 ist eine Ventilverschließeinrichtung 7 verschiebbar
angeordnet.
Die Ventilverschließeinrichtung 7 weist einen Stößel 8
als Düsennadel mit einem Ventilschaft 9 auf, in wel
chem der Stößel 8 eingepaßt ist.
An dem dem Brennraum zugewandten Ende des Ventilschaf
tes 9 ist ein Dichtglied in Form eines Absatzes 10
vorgesehen. Das Ventilgehäuse 6, der Absatz 10 und
eine mit dem Ventilschaft 9 fest verbundene Trennein
richtung, die als Druckausgleichszylinder 11 ausgebil
det ist, bilden einen im Betrieb mit Kraftstoff ge
füllten Ringspalt 12. Aus dem Ringspalt 12 wird bei
geöffnetem Ventil 1 eine genau dosierte Kraftstoffmen
ge in einen Brennraum, der in der Zeichnung nicht dar
gestellt ist, eingespritzt. Hierzu dient ein Durch
flußbegrenzer 13, der mit einer Federeinrichtung 14 an
eine Querschnittsfläche des Absatzes 10 des Ventil
schaftes 9 gedrückt wird. Die Federeinrichtung 14
stützt sich an einem zylinderförmigen Anschlag 15 ab.
Zwischen der Piezoführung 3 und dem Injektorgehäuse 2
ist ein Ringraum 16 gebildet, in den eine dem Ventil 1
kraftstoffzuführende Leitung 17 mündet. Von hier aus
strömt der Kraftstoff über Bohrungen 18 in den Ring
spalt 12.
Der Piezostack 4 liegt vollständig im Niederdruckbe
reich von kraftstoffabführenden Kanälen und wird somit
nicht durch den mit sehr hohem Druck zugeführten
Kraftstoff in seiner Wirkungsweise beeinträchtigt. Die
Rückströmung von Kraftstoff erfolgt in diesem Druckbe
reich in einer Längsnut 19, wo es an dem von dem
Brennraum abgewandten Ende des Piezostacks 4 aus dem
Ventil 1 austritt.
Wird der Piezostack 4 mit einer Steuerspannung beauf
schlagt, so bewirkt dies in bekannter Weise eine Län
gung des Piezostacks 4, womit die Ventilschließein
richtung 7 öffnet, da zwischen dem Absatz 10 des Ven
tilschaftes 9 und einem Ventilsitz 6 bzw. dem Durch
flußbegrenzer 13 ein entsprechender Spalt entsteht.
Zur Beendigung des Einspritzvorganges wird die Steuer
spannung abgeschaltet, womit sich der Piezostack 4
entsprechend wieder auf seine ursprüngliche Länge ver
kürzt. Die Rückstellung der Düsennadel 8 bewirkt eine
Düsennadelfeder 51, die sich an einem Ringbund 55 der
Düsennadel 8 abstützt.
Aus der Fig. 2 wird die Kraftübertragung von dem Pie
zostack 4 auf die Düsennadel 8 zu dessen Öffnung er
sichtlich. Der Piezostack 4 ist von einem mit einer
stirnseitigen Dichtkappe versehenen Schutzrohr 20 um
geben. Die Dichtkappe des Schutzrohres 20 ist in axia
ler Richtung zwischen dem Piezostack 4 und einem Ver
drängerkolben 21 angeordnet und betätigt somit diesen
bei einer Längung des Piezostackes 4. In axialer Rich
tung vor dem Verdrängerkolben 21 - bezogen auf den
Brennraum - befindet sich ein Steuerkolben 22. Der
Steuerkolben 22 besitzt eine kleinere wirksame Druck
fläche wie der Verdrängerkolben 21. Die hydraulischen
Übersetzungsverhältnisse ergeben sich aus den unter
schiedlichen Geometrien bzw. Durchmesserverhältnissen
von Verdrängerkolben 21 und Steuerkolben 22. Durch
mehrere hintereinander angeordnete Tellerfedern 23,
die sich in einer Druckausgleichskammer 24 befinden,
wird eine Piezostackvorspannung erreicht. Der Druck
ausgleichsraum 24 ist mit Prüföl oder mit Kraftstoff
gefüllt. Die Füllung bzw. ein Druckausgleich erfolgt
über gezielte Leckagen zwischen dem Steuerkolben 22,
dem Verdrängerkolben 21 und dem umgebenden Zylinderge
häuse 25. In das Zylindergehäuse 25 mündet ein Zulauf
26, der mit dem Zulaufringraum 16 in Verbindung steht.
Auf diese Weise ist das Zylindergehäuse 25 axial und
verdrehsicher angeordnet. Durch das vorgegebene Über
setzungsverhältnis zwischen dem Verdrängerkolben 21
und dem Steuerkolben 22 wird der Steuerkolben 22 mehr
bewegt als der Verdrängerkolben 21.
Von dem Zulauf 26 aus wird über eine Ringnut 27 und
eine Schrägbohrung 28, die in dem Steuerkolben 22 an
geordnet sind, ein Ringraum 29 mit Systemdruck
(Raildruck) aus dem Ringraum 16 beaufschlagt. Der Rin
graum 29 wird zwischen dem Steuerkolben 22 und einer
Schiebehülse 30 gebildet.
Erhält der Piezostack 4 eine Steuerspannung, so werden
in Pfeilrichtung B das Schutzrohr 20, der Verdränger
kolben 21 und der Steuerkolben 22 verschoben, wobei
sich eine Vorsteuerkante 31 zwischen dem Steuerkolben
22 und der Schiebehülse 30 öffnet, womit eine Hoch
druckverbindung über den Ringraum 29 zu einer Bohrung
32 in der Schiebehülse 30 geschaffen wird und damit zu
einem damit verbundenen Arbeitszylinder bzw. Arbeits
druckraum 33, der radial zwischen der Schiebehülse 30
mit einer Rücklaufsteuerkante 36 und dem Zylinderge
häuse 25 und axial zwischen einer Stirnwand des Zylin
dergehäuses 25 und einem Arbeitskolben 34 angeordnet
ist. Durch die Beaufschlagung des Arbeitsdruckraumes
33 mit Hochdruck wird der Arbeitskolben 34 weggleich
dem Steuerkolben 22 in Pfeilrichtung B verschoben.
Aufgrund der Vorspannfeder 35 folgt die Schiebehülse
30 dem Arbeitskolben 34 und dichtet mit der Rücklauf
steuerkante 36 den Druckraum 33 ab. Die Schiebehülse
30 folgt dem Arbeitskolben 34 solange, bis sie wieder
auf die Vorsteuerkante 31 zwischen dem Steuerkolben 22
und der Schiebehülse 30 trifft bzw. diese Steuerkante
absperrt. Dadurch ist der Arbeitsdruckraum 33 hydrau
lisch dicht und der Arbeitskolben verharrt in dieser
Position. Wie ersichtlich, gibt der Verdrängerkolben
21 den Weg für den aus dem Verdrängerkolben 21, dem
Steuerkolben 22, der Schiebehülse 30 und dem Arbeits
kolben 34 bestehenden Folgeverstärker vor, der an
schließend auf die Düsennadel 8 umgesetzt wird.
Aufgrund der Durchmesserunterschiede der wirksamen
Kolbenflächen zwischen dem Verdrängerkolben 21 und dem
Steuerkolben 22 erhält man den größeren Weg des Steu
erkolbens 22.
Wird die Steuerspannung von dem Piezostack 4 zurückge
nommen, wird der Verdrängerkolben 21 durch die Teller
federn 23 zurückgedrückt. Die Volumenzunahme in der
Druckausgleichskammer 24 ermöglicht es der Rückstell
feder 52, die zwischen der Düsennadel 8 und einer
axialen stirnseitigen Vertiefung des Steuerkolbens 22
vorgespannt ist, den Steuerkolben 22 mit der Schiebe
hülse 30 entgegen der Pfeilrichtung B zurückzubewegen.
Dadurch entsteht ein Ringspalt 38 zwischen Rücklauf
steuerkante 36 und Arbeitskolben 34, der es ermög
licht, daß aus dem Arbeitszylinder 33 Öl abfließt in
Richtung Druckstück 42 und weiter in die Längsnut 19.
Dieser Volumenabfluß ermöglicht, daß der Arbeitskolben
34 wieder in seine Ausgangslage zurückgeht.
Ein hydraulischer Längenausgleichsraum 39 für die Dü
sennadel 8, bedingt durch thermische und hydraulische
Längenänderungen, wird auf diese Weise durch das Zy
lindergehäuse 25, den Arbeitskolben 34, der Aus
gleichsfeder 40, der Ausgleichsbohrung 41 und dem
Druckstück 42 gebildet. Längenänderungen und dadurch
Volumenänderungen werden durch die Bohrung 41 kompen
siert. Auf diese Weise liegt auch dann, wenn z. B. die
Düsennadel 8 gestaucht ist, der Arbeitskolben 34 defi
niert immer an der Rücklaufsteuerkante 36 an.
Das Schutzrohr 20 hat die Aufgabe dafür zu sorgen, daß
der Piezostack 4 nicht mit Kraftstoff in Berührung
kommt.
Ein hydraulischer Längenausgleich des Piezostacks 4
wird über die gezielte Leckage des Steuerkolbens 22
und einer am Außendurchmesser des Verdrängerkolbens 21
eingearbeiteten Kapillare erreicht, über die Leckage
in die Rückleitung bzw. die Längsnut 19 gelangt.
Praktisch liegen zwei Systeme vor, einmal auf der Pie
zostackseite und einmal auf der Düsennadelseite, wobei
die Teile stets unter Vorspannung stehen und damit
immer ein Kontakt gewährleistet ist und zwar unabhän
gig von Längendehnungseffekten oder Temperaturdiffe
renzen. Wichtig ist hierzu auch, daß der Leckagezulauf
in die Druckausgleichskammer 24 etwa der Menge ent
spricht, die über die Leckageleitung in dem Verdrän
gerkolben 21 (Kapillare) aus ihr abläuft.
Dies bedeutet auch, daß der Druck in der Druckaus
gleichskammer 24 kleiner sein muß als die Federkraft
der Rückstellfeder 52. Die Tellerfedern 23 sorgen da
bei dafür, daß der Verdrängerkolben 21 immer an dem
Piezostack 4 anliegt und damit der Piezostack 4
gleichzeitig vorgespannt ist.
Die mechanische Leistungsfähigkeit des Piezostackes 4
wird ausschließlich für die Ventilpositionierung ver
wendet. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die
Kraftverstärkung mit dem Piezostack 4 direkt nichts zu
tun hat. Es wird also nicht die Piezokraft für die
Betätigung der Düsennadel 8 verwendet, sondern alleine
der Druck, der in dem Druckraum des Arbeitszylinders
33 aufgebracht wird, und dieser Druck entspricht pro
portional der Stellkraft.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel bezog
sich auf eine Düsennadel 8, die nach außen öffnet,
wobei die Wegrichtung des Piezostacks 4 der Wegrich
tung der Düsenöffnung entspricht. Es ist vorteilhaft,
den Leckölabfluß über die Längsnut 19 auf 3 bis 5 bar
Gegendruck zu halten (Hohlraumbildung, Kavitation).
In den Fig. 3 und 4 ist ein Einspritzventil darge
stellt, bei dem die Düsennadel 8' zum Einspritzen von
Kraftstoff nach innen öffnet. Dies bedeutet, die Betä
tigungsrichtung des Piezostackes 4' ist umgekehrt zur
Betätigungsrichtung der Düsennadel 8'. Bei diesem Aus
führungsbeispiel sind für die Teile, die die gleiche
Funktion haben wie die bei dem Ausführungsbeispiel
nach den Fig. 1 und 2 auch die gleichen Bezugszei
chen - mit einem entsprechenden Index versehen - ver
wendet.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach der
Fig. 1 ist zum Zuführen von Raildruck keine Ringlei
tung 16 vorgesehen, sondern eine Stichleitung 43. Für
den Rücklauf von Kraftstoff ist eine Leckageleitung 44
vorgesehen. Die Piezovorspannung kann wieder in der
Druckausgleichskammer 24' durch Teller, oder Spiralfe
dern 23', eingestellt werden. Bei diesem Einspritzven
tilsystem muß ja eine Wegumkehr stattfinden, wenn der
Piezostack 4' betätigt wird. In diesem Fall ist der
Raum, in welchem sich eine Feder 56 befindet, nur ein
Entlüftungsraum. Die Druckausgleichskammer 24' hinge
gen wird bei einer Steuerspannung 4' zusammengedrückt.
Darüber wirkt in der Druckausgleichskammer 24' eine
Durchmesserdifferenz. Die unterschiedlichen Durchmes
ser der wirksamen Kolbenflächen des Verdrängerkolbens
21' und des Steuerkolbens 22' um die gewünschten Über
setzungsverhältnisse und damit einen größeren Weg des
Steuerkolbens 22' zu erreichen, ergeben sich aus einer
kleineren wirksamen Stirnfläche 46, die in Richtung
Piezostack 4' wirkt, im Vergleich zu einer wirksamen
Stirnfläche von 21', die in Richtung Düsennadel 8'
gerichtet ist. Wird durch eine Steuerspannung 4' die
Druckausgleichskammer 24' verkleinert, findet ein
Druckaufbau in diesem Raum statt, der den Steuerkolben
22' entgegengesetzt zur Wirkrichtung des Piezostack 4'
in Pfeilrichtung C betätigt. Bei dieser Verschiebe
richtung des Steuerkolbens 22' nimmt er die Schiebe
hülse 30' ebenfalls in Richtung C mit. Durch diese
Verschiebung findet eine Entlastung in einem Arbeits
zylinder 33' statt, der dem Arbeitszylinder nach dem
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 entspricht.
Die Druckentlastung in dem Arbeitszylinder 33' findet
in die Leckageleitung 44 über Bohrungen 48 in dem Ar
beitskolben 34' statt. Da man bei diesem Ausführungs
beispiel eine Wegumkehr hat, bedeutet dies, daß die
Vorsteuerkante 31' zur Schließung der Düsennadel 8'
führt und die Rücklaufsteuerkante 36' zwischen der
Schiebehülse 30' und dem Arbeitskolben 34' zur Öffnung
der Düsennadel 8' führt und damit eine Verbindung zwi
schen der Zuleitung 43 und Einspritzlöchern 49 zur
Kraftstoffeinspritzung geschaffen wird.
Zur Schließung der Einspritzlöcher 49 nach Entfernen
der Steuerspannung von dem Piezostack 4' erfolgt über
die Vorsteuerkante 31' wieder ein Druckaufbau in dem
Arbeitszylinder 33', da die Schiebehülse 30' mit Rück
laufsteuerkante 36' auf den Arbeitszylinder 34' auf
läuft und damit die Verbindung zu der Leckageleitung
44 unterbricht. Dies bedeutet, wenn die Düsennadel 8'
sich in ihrer Schließstellung befindet, steht in dem
Druckraum des Arbeitszylinders 33' stets der volle
Systemdruck an, denn über die Vorsteuerkante 31' in
Verbindung mit dem Zulauf 26' und einem Ringraum 50
zwischen der Schiebehülse 30' und dem Steuerkolben 22'
wird der Druckraum des Arbeitszylinders 33' über
Schrägbohrungen 53 in der Schiebehülse 30' mit dem
vollen Systemdruck versehen. Verschiebt sich nämlich
der Arbeitskolben 34' geringfügig, so öffnet sich so
fort die Vorsteuerkante 31' und stellt damit die Ver
bindung zur Hochdruckseite über diese Kante her. Nur
wenn der Steuerkolben 22' in Richtung C aufgrund einer
Steuerspannung des Piezostacks 4' verschoben wird,
baut sich der Druck in dem Arbeitszylinder 33' ent
sprechend ab und die Düsennadel 8' kann zur Einsprit
zung von Kraftstoff öffnen.
Die Kraftstoffversorgung für die Druckausgleichskammer
24' erfolgt über einen Verbindungskanal 54 in dem
Steuerkolben 22' zum Zulauf 26 über einen Bund in dem
Steuerkolben 22'.
Ebenso wie durch die Spiralfeder 35 bei dem Ausfüh
rungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 erfolgt eine
Anpressung der Schiebehülse 30' durch eine Tellerfeder
35' an den Arbeitskolben 34'. Die Rückstellung des
Steuerkolbens 22' erfolgt durch eine Tellerfeder 52',
die sich an dem Verdrängerkolben 34' abstützt.
Es ist auch hier von Vorteil, den Leckölabfluß über
die Längsnut 19 auf 3 bis 5 bar Gegendruck zu halten.