DE19702066A1 - Piezoelektrischer Injektor für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen - Google Patents
Piezoelektrischer Injektor für Kraftstoffeinspritzanlagen von BrennkraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Injektor für
Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen nach den im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Bei piezoelektrischen Injektoren entspricht die thermische Aus
dehnung von Gehäuseteilen des Piezo-Aktuators etwa dem Arbeits
hub des Piezo-Aktuators. Demgegenüber ist die thermische Aus
dehnung von Piezomaterialien jedoch annähernd null. Es werden
daher bekanntlich hydraulische Kompensationsglieder oder Gehäu
sekombinationen aus Werkstoffen unterschiedlicher thermischer
Ausdehnung benutzt.
Aus der MTZ Motortechnische Zeitschrift 56 (1995) 3, S. 142-148,
Bild 8 ist ein piezoelektrischer Injektor mit einem stabförmi
gen Piezo-Aktuator bekannt, der im ausgedehnten, also geladenen
Zustand, eine sitzlochgebohrte Einspritzdüse schließt. Der hier
dauernd anstehende Hochdruck wird bei Entladung des Aktuators
von der Düsennadel zugemessen. Durch Tellerfedern ist die Vor
spannung des Systems einstellbar. Die Vorspannkraft muß so groß
sein, daß die Düse mit geladenem Aktuator gegen den vollen
Kraftstoffdruck abdichtet.
Die geringe Wärmedehnung der Piezokeramik wird durch eine Kom
bination von CFK (Chlorfluorkohlenwasserstoffe) und Metall im
Injektorgehäuse teilweise kompensiert.
Bei derartigen piezoelektrischen Injektoren ist die Bewegungs
richtung des Piezo-Aktuators bei Bestromung gegenüber üblichen
Magnetventilen entgegengesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den piezoelektrischen
Injektor der gattungsgemäßen Art zu verbessern, und zwar im
Hinblick auf eine einfachere Bauweise, bei der das Ventilgehäu
se aus Materialien, wie Stahl oder Aluminium, bestehen kann,
ohne daß thermische Ausdehnungen dieses Materials einen ungün
stigen Einfluß auf die Genauigkeit der Ventilhübe ausüben.
Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1
angegebenen Merkmale gelöst.
In den Unteransprüchen sind noch vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
Durch die besondere Anordnung und Zuordnung des Betätigungstei
les im piezoelektrischen Injektor sowie durch die Bewegungsum
kehr des Piezo-Aktuators bei Bestromung ist eine einfache Bau
ausführung möglich, die trotz des weiteren Einsatzes der beim
Ventilgehäuse üblicherweise verwendeten Materialien, wie Stahl
oder Aluminium, keine Funktionsbeeinträchtigung der exakten
Ventilhübe bewirkt.
Die bei thermischen Belastungen unvermeidbar auftretenden Län
genausdehnungen üben somit keinen negativen Einfluß auf die
einwandfreie Schließfunktion des Ventiles aus.
Außerdem tritt bei einem elektrischen Defekt am Injektor keine
Düsen-Leckage auf, die besonders bei Hochdrucksystemen nach dem
Common-Rail-Prinzip zu Motorzerstörungen durch die nicht mehr
schließende Düse führen kann, die in Abhängigkeit von der Stel
lung des mit einem Steuerkolben auf der Rückseite der Düsenna
del zusammenwirkenden Verschlußstückes am piezoelektrischen In
jektor öffnet oder schließt.
Der gleiche Länge und gleiches Keramikmaterial aufweisende
Druckstift und Piezo-Aktuator können auch aus einem keramikähn
lichen Material bestehen, z. B. Invar.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden
anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
Ein piezoelektrischer Injektor 1 für Kraftstoffeinspritzanlagen
von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Hochdrucksysteme in
der Ausführung als Common-Rail-Systeme, besteht aus einem in
einem Ventilgehäuse 2 angeordneten federbelasteten Piezo-
Aktuator 3.
Der Piezo-Aktuator 3 ist aus ringförmigen Piezoelementen 4 auf
gebaut, die übereinandergeschichtet einen durchgehenden zentra
len Hohlraum 5 bilden und somit Platz für ein Betätigungsteil 6
schaffen. Dieses Betätigungsteil 6 setzt sich aus einem Druck
stift 7 und aus einem Kopfteil 8 zusammen, von denen das außen
bundähnliche Kopfteil 8 auf dem Piezo-Aktuator 3 aufliegt und
der Druckstift 7 den Piezo-Aktuator 3 auf ganzer Länge durch
setzt.
Zwischen dem Piezo-Aktuator 3 und einem deckelähnlichen Ab
schluß 9 am Ventilgehäuse 2 befindet sich eine vorgespannte
Druckfeder 10, die sich auf dem Kopfteil 8 des Betätigungstei
les 6 abstützt und einerseits den Piezo-Aktuator 3 auf die Ge
häusefläche 11 eines eingezogenen Gehäuseteiles 12 am unteren
Ende des Ventilgehäuses 2 und andererseits den mit der Gehäuse
fläche 11 bündig abschließenden Druckstift 7 auf ein Verschluß
stück 13 drückt.
Piezo-Aktuator 3 und Druckstift 7 weisen gleiche Länge und
gleiches Keramikmaterial auf.
Das Verschlußstück 13 ist durch eine Ventilkugel 14 gebildet,
die auf einem kegelförmigen Ventilsitz 15 aufliegt. Der Ventil
sitz 15 steht über eine Bohrung 16 in dem Gehäuseteil 12 des
Injektors 1 mit einem Druckraum 17 oberhalb eines Steuerkolbens
18 in Verbindung, welcher über einen Kanal 19 und eine Zulauf
drossel 20 mit Hochdruck aus einer nicht näher dargestellten
und als Hochdruckspeicher für alle Injektoren wirkenden Versor
gungsleitung (Rail) beaufschlagt wird.
Die Ventilkugel 15 ist durch eine etwa der halben Kugelform an
gepaßte Ausnehmung 21 lagegesichert.
Zwischen dem deckelähnlichen Abschluß 9 des Ventilgehäuses 2
und dem Kopteil 7 des Betätigungsteiles 6 befindet sich eine
Distanzscheibe 22, über die die Federvorspannung eingestellt
werden kann.
Im Bereich des eingezogenen Gehäuseteiles 12 verlaufen die zum
Piezo-Aktuator 3 führenden Spannungsführungen (nicht darge
stellt), die mit den äußeren Anschlüssen 23, 24 leitend verbun
den sind.
Gegebenenfalls kann der aus ringförmigen Piezoelementen 4 be
stehende Piezo-Aktuator 3 aus zwei hochragenden, mit Abstand
nebeneinanderliegenden Aktuatoren bestehen (nicht dargestellt),
zwischen denen der Druckstift 7 verläuft, der die gleiche Länge
wie die beiden Aktuatoren hat. Der Druckstift kann anstelle ei
nes außenbundähnlichen Kopfteiles durch eine Brücke mit den Ak
tuatoren verbunden sein.
Außerdem kann zwischen dem Piezo-Aktuator 4 und der Gehäuseflä
che 11 des eingezogenen Gehäuseteiles 12 eine nicht näher dar
gestellte Distanzscheibe eingesetzt sein, mit der die Druck
spannung des Druckstiftes 7 im geschlossenen Zustand einstell
bar ist.
Wirkungsweise des piezoelektrischen Injektors:
Durch ein Spannungssignal wird sich der vorgespannte Piezo-
Aktuator 3 gegen die Kraft der Druckfeder 10 ausdehnen bzw.
verlängern. Dadurch wird über den in seiner Länge unveränderten
Druckstift 8 die Ventilkugel 14 geöffnet und der Druckraum 17
über dem Steuerkolben 18 entlastet. Der Steuerkolben 18 kann
sich nach oben bewegen und eine Düsennadel (nicht dargestellt)
von ihrem Ventilsitz freigeben. Entscheidend für die Bewegung
der Ventilkugel mit dem Kugelhub x ist die Relativbewegung zwi
schen Piezo-Aktuator 3 und Druckstift 7 im Bereich der Gehäuse
fläche 11 des radial eingezogenen Gehäuseteiles 12. Die bei
Temperaturänderungen auftretenden Wärmedehnungen des langge
streckten Ventilgehäuses üben überhaupt keinen Einfluß aus.
Somit sind durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen - unabhängig
von jeglichen Temperatureinflüssen - exakte Ventilhübe möglich,
darüber hinaus ist bei Schließlage der Ventilkugel ein einwand
freier Dichtsitz gewährleistet.
Außerdem kann durch die Höhe des Ansteuersignales der Ventilhub
gesteuert werden, so daß eine variable Ablaufdrossel realisier
bar wäre.
Claims (7)
1. Piezoelektrischer Injektor für Kraftstoffeinspritzanlagen
von Brennkraftmaschinen, mit einem unter Federvorspannung im
Ventilgehäuse geführten Piezo-Aktuator, der über ein Betäti
gungsteil ein Verschlußstück auf seinen Ventilsitz drückt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Betätigungsteil (6) aus einem den Piezo-Aktuator (3)
durchsetzenden Druckstift (7) mit auf dem Piezo-Aktuator (3)
aufliegendem Kopfteil (8) besteht, daß Druckstift (7) und Pie
zo-Aktuator (3) zumindest annähernd gleiche Länge und gleiches
Keramikmaterial oder in Bezug auf die Wärmeausdehnung kera
mikähnliches Material aufweisen und daß das Verschlußstück
(13) durch den bei geladenem Zustand ausgedehnten Piezo-
Aktuator (3) von seinem Ventilsitz (15) abhebbar ist.
2. Piezoelektrischer Injektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Piezo-Aktuator (3) aus ringförmigen Piezo-Elementen (4)
aufgebaut ist, in denen der Druckstift (7) des Betätigungstei
les (6) konzentrisch angeordnet ist.
3. Piezoelektrischer Injektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Piezo-Aktuator (3) aus zwei kleinen nebeneinanderlie
genden Aktuatoren besteht, zwischen denen sich der Druckstift
gleicher Länge erstreckt, wobei die Ankoppelung des Druckstif
tes über eine die beiden Aktuatoren verbindenden Brücke er
folgt.
4. Piezoelektrischer Injektor nach den Ansprüchen 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Piezo-Aktuator (3) auf der unteren Gehäusefläche (11)
eines eingezogenen Gehäuseteiles (12) des Ventilgehäuses (12)
aufliegt und der Druckstift (7) des Betätigungsteiles (6) im
Bereich dieser Gehäusefläche (11) mit dem Piezo-Aktuator (3) in
Schließlage des Verschlußstückes (13) bündig abschließt.
5. Piezoelektrischer Injektor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verschlußstück (13) als Ventilkugel (14) ausgebildet
ist, die in einer etwa der halben Kugelform angepaßten Ausneh
mung (21) im Druckstift (7) lagegesichert ist.
6. Piezoelektrischer Injektor nach einem der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der auf dem Piezo-Aktuator (3) aufliegende Kopfteil (8) des
Betätigungsteiles (6) und der obere deckelartige Abschluß (9)
des Ventilgehäuses (2) Abstützkörper für eine Druckfeder (10)
bilden.
7. Piezoelektrischer Injektor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem deckelartigen Abschluß (9) und dem obenliegen
den Federende der Druckfeder (10) eine definierte Distanzschei
be (22) eingesetzt ist.
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