DE19856617A1 - Element zur Übertragung einer Bewegung und Einspritzventil mit einem solchen Element - Google Patents

Abstract

Zwischen dem Piezoaktor (2) und dem Ventilelement (5) eines Servoventils für ein Einspritzventil ist ein spielausgleichendes Übertragungselement (3) vorgesehen, das einen Antriebskolben (31) und ein Aufnahmeelement (32) umfaßt, die teleskopartig ineinandergreifen und die eine Kammer (322) mit einem hydraulischen Medium umschließen. Der Spalt zwischen Antriebskolben (31) und Aufnahmeelement (32) ist so bemessen, daß ein kurzzeitiger Druckanstieg in der Kammer (322) nicht ausgeglichen wird, länger andauernde Druckdifferenzen jedoch abgebaut werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Element zur Übertragung einer Be­ wegung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und insbe­ sondere ein Einspritzventil mit einem solchen Element. Ein solches Element ist aus der DE 197 08 304 A1 bekannt.

Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Hochdruck-Speichereinspritzsysteme verwendet. Sol­ che Einspritzsysteme sind als Common-Rail-Systeme (für Die­ selmotoren) und HPDI-Einspritzsysteme (für Ottomotoren) be­ kannt. Bei diesen Einspritzsystemen wird der Kraftstoff mit einer Hochdruckpumpe in einen allen Zylindern des Motors ge­ meinsamen Druckspeicher gefördert, von dem aus die Einspritz­ ventile an den einzelnen Zylindern versorgt werden. Die Steuerung des Öffnens und Schließens der Einspritzventile kann elektromagnetisch oder elektrisch erfolgen, etwa mittels Piezoaktoren, die aus einer Anzahl von aufeinandergestapelten Piezoelementen bestehen.

Der Piezoaktor wirkt dabei in der Regel auf ein Servoventil ein, das hydraulisch den Druck steuert, der auf die Düsenna­ del des Einspritzventils ausgeübt wird. Die Düsennadel des Einspritzventils wird also vom Piezoaktor nicht direkt ange­ steuert, sondern indirekt über das Servoventil.

Das aus der eingangs genannten Druckschrift bekannte Element zur Übertragung einer Bewegung besteht aus einem Übertra­ gungsmodul, das bei der Verwendung in einem Einspritzventil zwischen dem Piezoaktor und einem Antriebsstempel für das Servoventil angeordnet ist. Das Übertragungsmodul ist im we­ sentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist eine Druck­ kammer auf, die von einer flexiblen Membran begrenzt ist. An der flexiblen Membran liegt der Antriebsstempel für das Ser­ voventil an. Von der Druckkammer führt eine Verbindungsboh­ rung mit Drosselwirkung zu einer Ausgleichskammer, die im In­ neren des Übertragungsmoduls vorgesehen ist und durch eine vorgespannte Federplatte abgeschlossen ist. Die Druckkammer und die Ausgleichskammer sind mit einem hydraulischen Medium gefüllt. Über der Ausgleichskammer ist eine starre Abdeck­ platte angeordnet, an der der Piezoaktor anliegt.

Im Ruhezustand überträgt sich der Druck des Übertragungsmedi­ ums aus der Ausgleichskammer durch die Verbindungsbohrung in die Druckkammer, so daß die flexible Membran immer am An­ triebsstempel anliegt, auch wenn sich die Gesamtlänge der An­ ordnung durch thermische Effekte oder Alterungseinflüsse än­ dert. Andererseits kann das hydraulische Übertragungsmedium bei Ansteuerung des Piezoaktors nicht schnell genug aus der Druckkammer abfließen, so daß sich bei einer elektrischen An­ steuerung des Piezoaktors, bei der die Ansteuerzeiten im Be­ reich von Millisekunden liegen, die Bewegung des Piezoaktors über das Übertragungsmodul praktisch unverändert auf den An­ triebsstempel für das Servoventil überträgt.

Die bekannte Anordnung hat jedoch den Nachteil eines kompli­ zierten Aufbaus, da die Verbindungsbohrung und die Aus­ gleichskammer einschließlich der das Übertragungsmedium unter Druck setzenden Federplatte innerhalb des Übertragungsmoduls ausgebildet sind. Das hydraulische Übertragungsmedium ist un­ ter Druck im Übertragungsmodul eingeschlossen. Schon eine ge­ ringe Undichtigkeit im System führt zu einem Verlust von Übertragungsmedium. Der resultierende Druckabfall im Übertra­ gungsmodul hat unmittelbar einen Ausfall des Übertragungsmo­ duls und damit des Einspritzventils zur Folge.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das ein­ gangs genannte Element zur Übertragung einer Bewegung so aus­ zugestalten, daß es bei einfachem Aufbau zuverlässig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den diesem Anspruch 1 folgenden Ansprü­ chen angeführt. Das erfindungsgemäße Element wird vorzugswei­ se in Verbindung mit einem Einspritzventil für Verbrennungs­ motoren angewendet.

Gemäß der Erfindung ist zwischen einem Aktor und einem Stellglied ein spielausgleichendes Übertragungselement vorge­ sehen, das einen Antriebskolben und ein Aufnahmeelement um­ faßt, die teleskopartig ineinandergreifen und die eine Kammer mit einem hydraulischen Medium umschließen. Der Spalt zwi­ schen Antriebskolben und Aufnahmeelement ist so bemessen, daß ein kurzzeitiger Druckanstieg in der Kammer nicht ausgegli­ chen wird, länger andauernde Druckdifferenzen jedoch abgebaut werden.

Das erfindungsgemäße Übertragungselement hat den Vorteil, ein für Störungen wenig empfindliches offenes System zu bilden, mit dem variierende Abstände ausgeglichen und überbrückt wer­ den können. Es gibt keine kompliziert geformte Bauteile; die Montage ist einfach und die Bauteiltoleranzen können herabge­ setzt werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Übertragungsele­ ments ist, daß das hydraulische Medium im Ruhezustand nicht unter einem erhöhten Druck steht. Es ist damit möglich, den Raum um das Übertragungselement bei einem Einspritzventil zum Beispiel an das im wesentlichen drucklose Kraftstoff- Rücklaufsystem anzuschließen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Darstellung in der Zeichnung näher erläutert, die einen Schnitt durch das Oberteil eines Einspritzventils zeigt.

Die Figur der Zeichnung zeigt schematisch einen Teil eines Einspritzventils im Schnitt. In das Gehäuse 1 des Einspritz­ ventils ist ein Piezoaktor 2 eingebaut. Der Piezoaktor 2 wirkt, wenn er elektrisch über (nicht gezeigte) Zuleitungen angesteuert wird, über ein Übertragungselement 3 auf einen Ventilstößel 4 ein. Der Ventilstößel 4 liegt an einem Venti­ lelement 5 eines Servoventils an. Das Ventilelement 5 wird, solange der Piezoaktor 2 nicht angesteuert ist, von einer Ventilfeder 6 in seinen Ventilsitz 7 gedrückt.

Bei der Ansteuerung des Piezoaktors 2 hebt der Ventilstößel 4 das Ventilelement 5 vom Ventilsitz 7 ab, so daß auf die be­ kannte Weise Kraftstoff am Ventilelement 5 vorbei abfließen kann und sich dadurch das Einspritzventil öffnet.

Um jegliches Spiel zwischen dem Piezoaktor 2 und dem Ventile­ lement 5 auszuschließen, ist das Übertragungselement 3 als hydraulisches Ausgleichselement ausgebildet. Dazu besteht das Übertragungselement 3 aus einem Antriebskolben 31, der fest am Piezoaktor 2 angebracht oder fest damit verbunden ist, und einem Aufnahmeelement 32, das fest mit dem Ventilstößel 4 verbunden oder damit einstückig ausgebildet ist.

An der dem Antriebskolben 31 zugewandten Seite ist der Außen­ durchmesser des Aufnahmeelements 32 größer als der des An­ triebskolbens 31. Der im Verbindungsbereich im wesentlichen zylindrische Antriebskolben 31 ragt um eine Strecke s in eine zylinderförmige axiale Vertiefung 321 im Aufnahmeelement 32. Zwischen der zylindrischen Außenwand des Antriebskolbens 31 und der zylindrischen Innenwand der Vertiefung 321 ist ein geringer Abstand oder ein kleiner Spalt vorgesehen.

Antriebskolben 31 und Aufnahmeelement 32 bilden somit Innen­ teil und Außenteil einer Teleskopanordnung, zu deren Längen­ verstellung Innenteil und Außenteil, das heißt Antriebskolben 31 und Aufnahmeelement 32, relativ zueinander axial ver­ schiebbar sind, wobei sich die Strecke s ändert, um die sich Antriebskolben 31 und Aufnahmeelement 32 in Axialrichtung überdecken.

An der dem Aufnahmeelement 32 zugewandten Stirnseite des An­ triebskolbens 31 und/oder an der dem Antriebskolben 31 zuge­ wandten Stirnseite des Aufnahmeelements 32 ist/sind Ausspa­ rungen vorgesehen, die eine Kammer 322 bilden. Die Kammer 322 ist vorzugsweise radialsymmetrisch um die Längsachse des Übertragungselements 3 ausgebildet. In der Kammer 322 ist ei­ ne Feder 33 angeordnet, vorzugsweise eine Spiralfeder, die Antriebskolben 31 und Aufnahmeelement 32 in Axialrichtung auseinanderdrückt.

Die Feder 33 bewirkt somit, daß der Ventilstößel 4 auch im Ruhezustand unabhängig von Längentoleranzen, thermischen Län­ genänderungen und dergleichen immer spielfrei sowohl an dem mit dem Piezoaktor 2 verbundenen Antriebskolben 31 als auch am Ventilelement 5 des Servoventils anliegt. Dabei liegt die Stirnseite des Antriebskolbens 31 außerhalb der Kammer 322 nicht direkt an der gegenüberliegenden Stirnseite der Vertie­ fung 321 im Aufnahmeelement 32 an.

Im Betrieb ist die Kammer 322 im Übertragungselement 3 mit einem hydraulischen Medium gefüllt. Auch der Raum 8 um das Übertragungselement 3 im Gehäuse 1 des Einspritzventils ent­ hält hydraulisches Medium. Das hydraulische Medium ist vor­ zugsweise der Kraftstoff für den jeweiligen Motor.

Es ist nicht erforderlich, daß das hydraulische Medium im Raum 8 unter einem erhöhten Druck steht. Der Raum 8 kann da­ her, wenn das hydraulische Medium der Kraftstoff ist, zum Beispiel mit der im wesentlichen drucklosen Kraftstoff- Rückleitung vom Einspritzventil zum Tank des Fahrzeugs in Verbindung stehen. Der Raum 8 kann aber auch durch Membranen, Dichtscheiben und dergleichen nach außen abgeschlossen sein.

Auch in der Kammer 322 im Übertragungselement 3 steht das hy­ draulische Medium im Ruhezustand, das heißt bei geschlossenem Einspritzventil, nicht angesteuertem Piezoaktor 2 und ausge­ glichenen thermischen und sonstigen Effekten, im wesentlichen nicht unter einem erhöhten Druck. Erst wenn der Piezoaktor 2 angesteuert wird und dadurch seine Länge vergrößert, wird vom Antriebskolben 2 Druck auf das hydraulische Medium ausgeübt. Da das hydraulische Medium den damit verbundenen schnellen Druckanstieg nicht durch schnelles Abströmen durch den engen Spalt zwischen der zylindrischen Außenwand des Antriebskol­ bens 31 und der zylindrischen Innenwand des Aufnahmeelements 32 abbauen kann, gibt es diesen Druck über das Aufnahmeele­ ment 32 an den Ventilstößel 4 weiter, so daß sich Antriebs­ kolben 31, Aufnahmeelement 32 und Ventilstößel 4 zusammen nach unten bewegen und das Ventilelement 5 des Servoventils gegen die Wirkung der Ventilfeder 6 vom Ventilsitz 7 wegdrüc­ ken.

Der Abstand oder Spalt zwischen der zylindrischen Außenwand des Antriebskolbens 31 und der zylindrischen Innenwand der Vertiefung 321 im Aufnahmeelement 32 ist wie gesagt so ge­ ring, daß während der kurzen Zeit der Ansteuerung des Piezo­ aktors 2 das hydraulische Medium nicht durch diesen Spalt aus der Kammer 322 entweichen kann. Andererseits ist dieser Ab­ stand oder Spalt jedoch so bemessen, daß während der restli­ chen, viel längeren Zeit eines Arbeitstaktes, in der das Ven­ til geschlossen ist, durch diesen Spalt Flüssigkeit in die Kammer 322 strömen kann, um im Zusammenwirken mit der Feder 33 ein eventuelles Ventilspiel auszugleichen. Auf die gleiche Weise erfolgt ein Ausgleich durch langsames Abfließen des hy­ draulischen Mediums, wenn der Piezoaktor 2 etwa aufgrund thermischer Effekte bereits im nicht angesteuerten Zustand permanent Druck auf das Übertragungselement 3 ausübt, der das Ventilelement 5 gegen die Wirkung der Ventilfeder 6 vom Ven­ tilsitz 7 abzuheben sucht. Der Ausgleich kann gegebenenfalls in jeder Richtung bei jedem Arbeitstakt erneut stattfinden.

Der Abstand der Stirnseite des Antriebskolbens 31 von der Stirnseite des Aufnahmeelements 32 um die Kammer 322 herum ist auf jeden Fall groß genug, um das Aus- und Einströmen des hydraulischen Mediums bei den genannten Ausgleichsvorgängen nicht zu behindern. Gegebenenfalls können durch Abstandhal­ ter, Nuten oder dergleichen in diesem Bereich geeignete Zu- und Abströmkanäle geschaffen werden.

Die vorliegende Erfindung ist gekennzeichnet durch das Über­ tragungselement 3, das teleskopartig aufgebaut ist. Eine Te­ leskopanordnung besteht im einfachsten Fall aus einem Außen­ teil, in dem koaxial ein Innenteil angeordnet ist, das sich relativ zum Außenteil in Richtung der gemeinsamen Längsachse der beiden Teile verschieben läßt, wodurch sich die Gesamt­ länge der Teleskopanordnung ändert.

Bei der vorliegenden Erfindung bildet der Raum, der den Au­ ßenteil und Innenteil der Teleskopanordnung umschließt, die Kammer, in der sich das hydraulische Medium befindet, das zur Übertragung von Kraft und einer Bewegung unter Druck gesetzt werden kann. Der Abstand zwischen der Außenwand des Innen­ teils und der Innenwand des Außenteils der Teleskopanordnung ist so bemessen, daß dadurch die Verbindung mit Drosselwir­ kung zwischen der als Druckkammer wirkenden Kammer 322 und dem Ausgleichsraum 8 hergestellt wird. Bei einer länger be­ stehenden Druckdifferenz zwischen Druckkammer und Ausgleichs­ raum kann so das hydraulische Medium zwischen Außenteil und Innenteil der Teleskopanordnung in die Druckkammer hinein bzw. daraus abfließen. Ein schneller Druckanstieg in der Druckkammer als Folge einer Betätigung des Aktors 2 kann je­ doch nicht ausgeglichen werden, so daß sich über den erhöhten Druck eine Kraft und damit eine Bewegung übertragen läßt.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ele­ ments, die bei einem Einspritzventil für einen Verbrennungs­ motor zur Anwendung kommt, besteht aus lediglich drei einfach gestalteten Teilen; dem Antriebskolben 31, der fest am Piezo­ aktor 2 des Einspritzventils angebracht ist, dem Aufnahmeele­ ment 32, das fest an einem Ventilstößel 4 für das Servoventil angeordnet oder einstückig damit ausgebildet ist, und der Fe­ der 33 zwischen Antriebskolben und Aufnahmeelement. Antriebs­ kolben 31 und Aufnahmeelement 32 bilden das Innenteil bzw. Außenteil einer Teleskopanordnung. Die hydraulische Funktion dieses Übertragungselements 3 wird von der Form und der Be­ messung von Antriebskolben und Aufnahmeelement bestimmt, ins­ besondere vom Abstand der Außenwand des Antriebskolben von der gegenüberliegenden Innenwand des Aufnahmeelements und dem Grad der Überdeckung von Antriebskolben und Aufnahmeelement.

Vorzugsweise taucht der zylinderförmige Antriebskolben um ei­ ne Strecke s in die zylinderförmig ausgeformte axiale Vertie­ fung 322 im Aufnahmeelement 32 ein. Die gegenüberliegenden Stirnseiten von Antriebskolben 31 und Aufnahmeelement 32 wei­ sen axiale Aussparungen auf, die die Kammer 321 für das hy­ draulische Übertragungsmedium bilden. Der Abstand oder Spalt zwischen Antriebskolben 31 und Vertiefung 321 ist so bemes­ sen, daß bei der kurzzeitigen periodischen Ansteuerung des Servoventils über den Piezoaktor praktisch kein hydraulisches Medium aus der Kammer 322 entweicht, andererseits aber wäh­ rend der viel längeren restlichen Zeit des Arbeitstaktes, in der das Ventil geschlossen ist, die Kammer bei einer Änderung der Gesamtlänge der Anordnung spielausgleichend mit hydrauli­ schem Medium befüllt werden kann bzw. das Medium aus der Kam­ mer abfließen kann. Der Ausgleich kann bei jedem Arbeitstakt stattfinden.

Claims (11)

1. Element zur Übertragung einer Bewegung von einem Aktor (2) zu einem Stellglied (5), mit einem spielausgleichenden Übertragungselement (3) zwischen dem Aktor (2) und dem Stell­ glied (5) mit einer Kammer (322), in der sich ein hydrauli­ sches Medium befindet, das unter Druck gesetzt werden kann, um dadurch die Bewegung zu übertragen, wobei eine Verbindung von der Kammer (322) zu einem anderen Raum (8) besteht, die derart ausgebildet ist, daß ein kurzzeitiger Druckanstieg in der Kammer (322) im wesentlichen nicht zu einem Ausströmen des hydraulischen Mediums aus der Kammer (322) führt, eine zeitlich länger anhaltende Druckdifferenz jedoch einen Aus­ gleich des hydraulischen Mediums zwischen dem Raum (8) und der Kammer (322) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement (3) ein Außenteil (31; 32) und ein Innenteil (32; 31) umfaßt, die teleskopartig längsver­ schiebbar ineinandergreifen, wobei in dem von Außenteil (31; 32) und Innenteil (32; 31) umschlossenen Raum die Kammer (322) ausgebildet ist, und wobei der Spalt zwischen der Au­ ßenwand des Innenteils (32; 31) und der Innenwand des Außen­ teils (31; 32) so bemessen ist, daß dadurch die obige Verbin­ dung zwischen der Kammer (322) und dem Raum (8) hergestellt wird.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Außenteil (31; 32) und Innenteil (32; 31) eine Feder (33) angeordnet ist, die Außenteil (31; 32) und Innenteil (32; 31) in Längsrichtung auseinanderdrückt.

3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (33) in der Kammer (322) angeordnet ist.

4. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenteil von einem Aufnahmeelement (32) gebildet wird und das Innenteil von einem Antriebskolben (31), wobei der An­ triebskolben (32) axial verschiebbar in eine Vertiefung (321) im Aufnahmeelement (32) ragt.

5. Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (322) durch eine Aussparung im Antriebskolben (31) und/oder dem Aufnahmeelement (32) gebildet wird.

6. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (33) derart in der Kammer (322) zwischen Antriebskolben (31) und Aufnahmeelement (32) angeordnet ist, daß der An­ triebskolben (31) und das Aufnahmeelement (32) in Längsrich­ tung auseinandergedrückt werden.

7. Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebskolben (31) mit dem Aktor (2) fest verbunden ist.

8. Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeelement (32) mit einem Stößel (4), der auf das Stell­ glied (5) einwirkt, fest verbunden oder einstückig damit aus­ gebildet ist.

9. Einspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritz­ ventil ein Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfaßt, wobei das Element zwischen einem Piezoaktor (2) und dem Ven­ tilelement (5) eines Servoventils angeordnet ist.

10. Einspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Medium der für den Motor verwendete Kraftstoff ist.

11. Einspritzventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Raum (8) mit einer im wesentlichen drucklosen Kraftstoffleitung in Verbindung steht.