DE3533975A1 - Zumessventil zur dosierung von fluessigkeiten oder gasen - Google Patents
Zumessventil zur dosierung von fluessigkeiten oder gasenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Zumeßventil zur
Dosierung von Flüssigkeiten oder Gasen, insbesondere
Einspritzventil für Kraftstoff-Einspritzsystemen in
Brennkraftmaschinen, wie direkt einspritzende Diesel
motoren u.dgl., nach der Gattung des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Einspritzventil dieser Art
(GB-OS 20 56 559) ist das Widerlager als Dämpfungs
kolben ausgebildet, der in einem kraftstoffgefüllten
Dämpfungszylinder angeordnet ist. Der Dämpfungszylinder
steht über eine Bohrung mit dem Kraftstoffzulauf in
Verbindung. Der Dämpfungskolben ist durch die in dem
Dämpfungszylinder einliegende Ventilschließfeder an
den Piezostack angelegt, der dadurch wiederum die Ven
tilnadel auf den die Einspritzöffnung umgebenden Ventil
sitz aufpreßt, die ihrerseits die Einspritzöffnung
absperrt. Wenn an das piezoelektrische Stellglied
eine Steuerspannung gelegt wird, kontraktiert der
Piezostack und verkürzt seine Länge um beispielswei
se 30 µm. Die Masse des Dämpfungskolbens und die
Dämpfungswirkung des Kraftstoffes in dem Dämpfungs
zylinder bewirken, daß das Widerlager für den Moment
der Piezostack-Kontraktion weitgehend stationär fest
ist und die Kontraktion des Piezostacks keine Ver
schiebung des Dämpfungskolbens durch die Ventilschließ
feder auslöst. Als Folge dessen wird die gesamt Längen
änderung des Piezostacks in eine Hubbewegung der Ventil
nadel umgesetzt, so daß der relativ kleine Stellweg des
Piezostacks vollständig zur Öffnung des Einspritzventils
ausgenutzt wird.
Ist das Einspritzventil geschlossen, so bewirken Längen
änderungen des Piezostacks durch Temperaturänderung oder
Längendifferenzen des Gesamtsystems von Ventilnadel, Piezo
stack und Dämpfungskolben durch Verschleiß oder Fertigungs
toleranzen eine entsprechende Verschiebung des Dämpfungs
kolbens. Da dadurch die gehäuseseitige Abstützung des
Piezostacks bei der Ventilbetätigung verlegt wird, wer
den diese Einflüsse vollständig kompensiert und wirken
sich nicht auf den Hubweg der Ventilnadel und damit auf
den von der Ventilnadel freigegebenen Einspritzquerschnitt
aus. Die Zumeßdosierung und damit die Einspritzmenge ist
weitgehend unabhängig von Temperatur, Fertigungstoleran
zen oder Verschleiß und nahezu konstant. Eine weitgehende
Reproduktion der eingespritzten Kraftstoffmenge ist da
mit garantiert.
Es hat sich gezeigt, daß dieses bekannte Konstruktions
prinzip zur Festlegung des Widerlagers des Piezostacks
während der Zumeßphase sich nicht auf piezoelektrische
Stellglieder übertragen läßt, bei welchen der Stell
weg durch Längenausdehnung des Piezostacks generiert
wird. In solchen Fällen bewirkt die bei der Expansion
des Piezostacks auf den Dämpfungskolben wirkende Druck
kraft eine im Vergleich zu dem relativ kleinen Stell
weg des Piezostacks von typischerweise 20 µm merkliche
Verschiebung des Dämpfungskolbens, zumal eine Teilmenge
des in dem Dämpfungszylinder befindlichen Kraftstoffs
nahezu ungedrosselt und damit sehr schnell über die Boh
rung in den Kraftstoffzulauf ausgeschoben werden kann.
Selbst bei starker Drosselung des Kraftstoffabflusses
kann nicht davon ausgegangen werden, daß nicht Klein
mengen schnell genug abströmen können oder daß das in
dem Dämpfungszylinder sich befindliche Flüssigkeitsvo
lumen völlig ohne Gaseinschlüsse und damit inkompressi
bel ist. Eine große Masseträgheit des Dämpfungskolbens
läßt sich nur bedingt ausnutzen und vergrößert zudem
das Bauvolumen des Ventils beträchtlich.
Jede - wenn auch nur geringfügige - Verschiebung des
Dämpfungskolbens und damit des gehäuseseitigen Wider
lagers des Piezostacks bei der Ventilöffnung führt
aber zu einem veränderten Hubweg der Ventilnadel und
zu einer Veränderung des Öffnungs- oder Zumeßquer
schnittes des Ventils. Die Dosierung von insbesondere
kleinen Zumeßmengen ist damit ungenau und in jeder Zu
meßphase anders. Damit läßt sich weder die geforderte
Zumeßgenauigkeit noch die geforderte Zumeßkonstanz
in Abhängigkeit von der Ventilöffnungszeit erreichen.
Das erfindungsgemäße Zumeßventil zur Dosierung von
Flüssigkeiten oder Gasen mit den kennzeichnenden Merk
malen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil,
daß durch die toleranzfreie Festlegung der gehäusesei
tigen Abstützung für den Piezostack immer die volle
Längenausdehnung des Piezostacks in einen Hubweg der
Ventilnadel umgesetzt, damit immer der gleiche Zumeß
querschnitt freigegeben und somit eine extrem genaue
Dosierung eingehalten wird. Hierbei ist es gleichgültig,
ob das piezoelektrische Stellglied den Stellweg durch
Längenausdehnung oder Längenreduzierung des Piezostacks
generiert. Die Zumeßgenauigkeit ist beliebig reprodu
zierbar, wobei die Zumeßmenge bei vorgegebenem Zumeß
druck ausschließlich von der Dauer der Ventilöffnung
abhängt. Die elektromagnetische Arretiervorrichtung
hat zudem ein nur kleines Bauvolumen und kann damit
mühelos in das Ventilgehäuse eines kleinvolumigen Zumeß
ventils integriert werden.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maß
nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse
rungen des im Anspruch 1 angegebenen Zumeßventils mög
lich.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung darge
stellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils in
schematischer Darstellung:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Einspritzven
tils für eine Brennkraftmaschine, aus
schnittweise,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in
Fig. 1,
Fig. 3 einen Längsschnitt eines Einspritzven
tils gemäß einem weiteren Ausführungs
beispiel.
Mit dem in Fig. 1 als Beispiel für ein Zumeßventil zur
Dosierung von Flüssigkeiten oder Gasen im Längsschnitt
dargestellten Einspritzventil für Kraftstoffeinspritz
anlagen in Brennkraftmaschinen können die wesentlichen
Größen wie Einspritzmenge, Einspritzrate, Spritzbeginn
und Spritzende elektrisch bestimmt werden. Das Einspritz
ventil weist ein ausschnittweise dargestelltes Ventil
gehäuse 10 auf, in welchem eine Stufenbohrung 11 mit im
Durchmesser abgestuften Bohrungsabschnitten eingebracht
ist. Im unteren brennraumseitigen Bohrungsabschnitt 111
ist ein Ventilkörper 12 mit einer axialen Durchgangsboh
rung 13 eingesetzt. Die Durchgangsbohrung 13 mündet in
einer Zumeß- oder Ventilöffnung 14, die von einem Ventil
sitz 15 ringförmig umgeben ist. Eine in der Durchgangsboh
rung 13 geführte Ventilnadel 16 sitzt mit ihrem im Durch
messer vergrößerten Nadelkopf 161 unter Wirkung einer
Ventilschließfeder 17 auf dem Ventilsitz 18 auf und
dichtet die Ventilöffnung 14 ab. Die Ventilschließ
feder 17 stützt sich einerseits am Ventilkörper 12
und andererseits an einem Ringflansch 18 ab, der an dem
vom Nadelkopf 161 abgekehrten Ende der Ventilnadel 16
mit dieser starr verbunden ist. Unmittelbar vor dem Ven
tilsitz 15 ist in der Durchgangsbohrung 13 ein Ring
raum 19 vorhanden, der über eine Zulaufbohrung 20 mit
einem Kraftstoffzulauf 21 verbunden ist. Um beim Ein
spritzvorgang einen zu großen Druckabfall zu verhindern
ist zweckmäßigerweise zwischen der Zulaufbohrung 20 und
dem Kraftstoffzulauf 21 ein Speicher eingeschaltet. Als
ein solcher Speicher kann der mittlere Bohrungsabschnitt
112 dienen.
Im mittleren Bohrungsabschnitt 112 ist ein Piezostack 22
eines piezoelektrischen Stellgliedes 23 angeordnet, dem
über elektrische Zuleitungen 24 eine Erregerspannung zu
geführt werden kann. Bei Anlegen einer Erregerspannung
vergrößert der Piezostack 22 in bekannter Weise seine
axiale Länge, wobei die Längenänderung typischerweise
etwa 30 µm beträgt. Der üblicherweise aus einzelnen piezo
elektrischen Scheiben zusammengesetzte Piezostack 22 ist
an seiner einen Stirnseite fest mit dem Ringflansch 18
verbunden und trägt an seiner anderen Stirnseite einen
zylinderförmigen Anker 25, der vollständig in das Innere
eines hohlzylindrischen Joches 26 mit geringem radialen
Spiel eintaucht. Im Joch 26 ist eine ringförmige Erreger
spule 27 gehalten. Der Anker 25, das Joch 26 und die Er
regerspule 27 bilden eine elektromagnetische Arretiervor
richtung 28, mit welcher der Piezostack 22 während seiner
durch die Steuerspannung bewirkten Längenänderung bezüg
lich des Ventilgehäuses 10 räumlich festgelegt wird.
Die Festlegung des Piezostacks 22 erfolgt durch Wirk
samschalten der Arretiervorrichtung 28 zumindest für
die Dauer der Ventilöffnung.
Die elektromagnetische Arretiervorrichtung 28 ist in
dem dritten Bohrungsabschnitt 113 untergebracht, wobei
das Joch 26 zwischen einer ventilgehäuseseitigen Ring
schulter 29 und einer Stützscheibe 30 gehalten ist.
Zwischen der Stützscheibe 30 und einer weiteren Ring
schulter 31 des Ventilgehäuses 10 ist eine Tellerfeder
32 eingelegt, welche das Joch 26 im Bohrungsabschnitt
113 festlegt.
Wie in Fig. 2 angedeutet ist, ist das Joch 26 in eine
Vielzahl von im Profil U-förmigen Jochblechen 33 unter
teilt, die sich bei Strombelegung der Erregerspule 27
auf dem Anker 25 abstützen und ihn damit stationär fest
klemmen. Anstelle der Jochbleche 33 kann das Joch 26
auch in größere Jochsegmente unterteilt sein, wobei be
reits eine Unterteilung des Jochs in zwei halbkreisför
mige Ringsegmente genügt. Im letzteren Fall muß jedoch
bei der Halterung des Joches 26 zwischen Ringschulter 29
und Stützscheibe 30 für eine geringfügige Radialbewegung
des Joches 26 Sorge getragen werden. Ein solches Spiel
kann durch entsprechende Bemessung der Tellerfeder 32
gewährleistet werden.
Die Steuerung der elektromagnetischen Arretiervorrichtung
28 ist so getroffen, daß die Erregerspule 27 ständig mit
Erregerstrom beaufschlagt ist und nur nach Einspritzende,
also nach Wiederverschließen der Ventilöffnung 14, kurz
zeitig stromlos wird. In diesem stromlosen Zustand der
Erregerspule 27 ist die Arretiervorrichtung 28 wirkungs
los und der Anker 25 kann sich im Joch 26 axial ver
schieben. Dadurch werden temperaturbedingte Längen
änderungen des Piezostacks 22 ebenso wie Fertigungs
toleranzen oder Verschleiß kompensiert. Im Moment der
Ventilöffnung liegt der Piezostack 22 jedoch gehäuse
seitig fest, so daß der von dem Piezostack 22 jeweils
zur Verfügung gestellte konstante Stellweg vollständig
für den Ventilnadelhub ausgenutzt werden kann.
Das in Fig. 3 im Längsschnitt zu sehende Einspritzven
til unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten
Einspritzventil nur durch eine unterschiedliche Ausbil
dung der elektromagnetischen Arretiervorrichtung 28′, so
daß mit Bauteilen in Fig. 1 übereinstimmende Bauteile in
Fig. 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen, jedoch zur
Unterscheidung durch einen Beistrich gekennzeichnet sind.
Der Piezostack 22′ ist auf seiner einen Stirnseite 21′
wiederum unmittelbar mit der Ventilnadel 15′ verbunden
und trägt auf seiner anderen Stirnseite eine Ankerplat
te 34′ mit vergrößertem Durchmesser. Die Ventilschließ
feder 17′ ist hier zwischen der Ankerplatte 34′ und
einer gehäuseseitigen Abstützung 35′ angeordnet und
bewirkt in gleicher Weise ein Aufpressen des Nadel
kopfes 161′ der Ventilnadel 16′ auf den die Ventilöff
nung 14′ umgebenden Ventilsitz 15′. Das Joch 26′ der
elektromagnetischen Arretiervorrichtung 28′ ist hier huf
eisenförmig ausgebildet und trägt auf seinem die beiden
Schenkel 261′ und 262′ einstückig verbindenden Steg 263′
die ringförmige Erregerspule 27′. Die Schenkel 261′ und
262′ sind rechtwinkelig zur Ankerplatte 34′ angeordnet.
Ihre Stirnflächen 36′ bzw. 37′ verlaufen unter einem
spitzen Neigungswinkel α zur Ankerplatte 34′. Zwischen
der Ankerplatte 34′ und den Jochschenkeln 261′ und 262′
ist jeweils ein Keilelement 38′ bzw. 39′ angeordnet.
Jedes Keilelement 38′ bzw. 39′ weist zwei Keilflächen
auf, wovon eine Keilfläche parallel zur Ankerplatte 34′
und eine Keilfläche parallel zur Stirnfläche 36′ bzw.
37′ der Jochschenkel 261′ bzw. 262′ verläuft. Mit die
sen Keilflächen liegt jedes Keilelement 38′ bzw. 39′
einerseits an der Ankerplatte 34′ und andererseits an
der Stirnfläche 36′ bzw. 37′ der Jochschenkel 261′
bzw. 262′ an. Zwischen den beiden Keilelementen 38′
und 39′ ist eine Druckfeder 40′ angeordnet, deren
Wirkrichtung parallel zur Ankerplatte 34′ verläuft.
Der Neigungswinkel α der Stirnflächen 36′, 37′ der Joch
schenkel 261′, 262′ und damit der Keilwinkel der Keil
elemente 38′, 39′ ist größer gewählt als der Haftrei
bungswinkel ϑ.Je mehr der Neigungswinkel α dem Haft
reibwinkel ϑ angenähert wird, desto kleiner kann der
von Joch 26′ und Erregerspule 27′ gebildete Elektromag
net ausgeführt werden.
Die Ansteuerung der Erregerspule 27′ ist so getroffen, daß
sie von kurz nach Spritzende bis kurz vor Spritzbe
ginn stromlos ist und nur für die Dauer der Ventilöff
nung bestromt wird. Dadurch wird wiederum der Piezo
stack 22 während seiner Erregungsphase gehäuseseitig
fixiert. Bei stromlosem Magneten werden Relativbewe
gungen des aus Ventilnadel 16′, Piezostack 22′ und Anker
platte 34′ bestehenden einteiligen Ventilbetätigungs
systems, die jedoch hauptsächlich durch temperaturbe
dingte Längenänderungen des Piezostacks 22 hervorgeru
fen werden, dadurch kompensiert, daß die Keilelemente
38′, 39′ radial an der Ankerplatte 34′ nach außen oder
innen verschoben werden. Eine Reduzierung der Länge des
Piezostacks 22′ bewirkt dabei eine durch die Druckfeder 40′
hervorgerufene Auswanderung der Keilelemente 38′, 39′,
nach außen, während eine Vergrößerung der axialen
Länge des Piezostacks 22′ ein Nachinnengleiten der
Keilelemente 38′, 39′ entgegen der Wirkung der Druck
feder 40′ auslöst. In gleicher Weise werden Fertigungs
toleranzen oder Verschleiß in dem Betätigungssystem
aus Ventilnadel 16′, Piezostack 22′ und Ankerplatte 34′
sowie in den Keilelementen 38′, 39′ und dem Joch 26′ aus
geglichen. Auch Fertigungstoleranzen bei der Befestigung
des Jochs 26′ im Bohrungsabschnitt 113′ werden kompen
siert.
Der Vorteil der in Fig. 3 dargestellten elektromagneti
schen Arretiervorrichtung 28′ gegenüber der in Fig. 1
zu sehenden Arretiervorrichtung 28 liegt darin, daß die
Reaktionskräfte des Piezostacks 22 mit einem wesentlich
kleineren Elektromagneten aufgefangen werden können. Da
mit läßt sich das Bauvolumen der elektromagnetischen
Arretiervorrichtung 28′ sehr klein halten, was einer Inte
gration in das Ventilgehäuse 10 bzw. 10′ entgegenkommt.
Claims (12)
1. Zumeßventil zur Dosierung von Flüssigkeiten oder
Gasen, insbesondere Einspritzventil für Kraftstoff-
Einspritzsysteme in Brennkraftmaschinen, wie direkt
einspritzende Dieselmotoren u.dgl., mit einem Ven
tilgehäuse mit Zumeßöffnung, mit einer die Zumeß
öffnung steuernden Ventilnadel, mit einer die Ven
tilnadel in ihre die Zumeßöffnung sperrende Schließ
stellung zurückführenden Ventilschließfeder, mit
einem piezoelektrischen Stellglied, dessen unter der
Wirkung einer Steuerspannung längenveränderlicher
Piezostack an seinem einen Ende mit der Ventilnadel
und an dem anderen Ende mit einem Widerlager verbun
den ist, daß in Achsrichtung des Piezostacks ver
schiebbar und so ausgebildet ist, daß es bei durch
die Steuerspannung bewirkter Längenänderung des Piezo
stacks relativ zum Gehäuse räumlich festliegt, da
durch gekennzeichnet, daß das
Widerlager als elektromagnetische Arretiervorrichtung
(28; 28′) ausgebildet ist, die zumindest für die Dauer
der Ventilöffnung wirksam geschaltet ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die elektromagneti
sche Arretiervorrichtung (28) einen mit dem Piezo
stack (22) starr verbundenen stabförmigen Anker
(25) eine den Anker (25) umgebende Erregerspule
(27), deren axiale Länge wesentlich kleiner ist
als die des Ankers (25), und ein die Erregerspule
(27) aufnehmendes, gehäuseseitig fixiertes Joch (26)
aufweist, das den Anker (25) unter Belassung eines
ringförmigen Luftspaltes umschließt und in einzel
ne, in Längsrichtung aneinanderliegende Jochseg
mente oder Jochbleche (33) unterteilt ist, die sich
bei strombelegter Erregerspule (27) auf dem Anker
(25) abzustützen vermögen.
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Anker (25) walzenförmig,
die Erregerspule (27) ringförmig und das Joch (26)
hohlzylinderförmig ausgebildet ist und daß die
Erregerspule (27) in dem Joch (26) einliegt.
4. Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Jochbleche (33)
U-Profil aufweisen.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Joch (26) auf
der einen Stirnseite an einer ventilgehäuseseitigen
Abstützung, vorzugsweise Ringschulter (29) anliegt
und daß auf der anderen Stirnseite des Jochs (26)
eine Stützscheibe (30) aufliegt, auf welcher sich
eine gehäuseseitig sich abstützende Druckfeder,
vorzugsweise Tellerfeder (32), aufpreßt.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 2-5, da
durch gekennzeichnet, daß
die Strombelegung der Erregerspule (27) nach
Zumeßende kurzzeitig unterbrochen wird.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1-6, da
durch gekennzeichnet, daß
die gehäuseseitig sich abstützende Ventilschließ
feder (17) an dem mit der Ventilnadel (16) ver
bundenen Ende des Piezostacks (22) angreift.
8. Ventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Arretiervor
richtung (28′) eine mit dem Piezostack (22′) starr
verbundene, quer zum Piezostack (22′) ausgerichtete
Ankerplatte (34′), ein Magnetjoch (26′) mit einem
die Erregerspule (27′) tragenden Steg (263′) und
zwei damit einstückigen, der Ankerplatte (34′)
rechtwinkelig gegenüberliegenden Jochschenkeln (261′,
262′), deren Stirnflächen (36′,37′) unter einem
spitzen Neigungswinkel (α) zur Ankerplatte (34′)
verlaufen, und zwei zwischen der Ankerplatte (34′)
und den Jochschenkeln (261′, 262′) einliegende Keil
elemente (38′,39′) aufweist, die jeweils mit einer
zur Ankerplatte (34′) und der Stirnfläche (36′, 37′)
des Jochschenkels (261′, 262′) parallelen Keilfläche
an der Ankerplatte (34′) und an der zugeordneten
Jochschenkel-Stirnfläche (36′, 37′) anliegen.
9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die schrägen Stirn
flächen (36′, 37′) der Jochschenkel (261′, 262′)
jeweils zum Steg (263′) hin ansteigen und daß
zwischen den beiden Keilelementen (38′, 39′) sich
eine parallel zur Ankerplatte (34′) ausgerichtete
Druckfeder (40′) abstützt.
10. Ventil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erreger
spule (27′) während der Zumeßpausen bis kurz vor
Zumeßbeginn stromlos ist.
11. Ventil nach einem der Ansprüche 8-10, da
durch gekennzeichnet, daß
die gehäuseseitig sich abstützende Ventilschließ
feder (17′) sich auf der den Keilelementen (38′, 39′)
abgekehrten Seite der Ankerplatte (34′) auf diese
aufpreßt.
12. Ventil nach einem der Ansprüche 8-11, da
durch gekennzeichnet, daß der
Neigungswinkel (α) der schrägen Stirnflächen
(36′, 37′) größer als der Haftreibwinkel (ϑ) und
soweit wie möglich dem Haftreibwinkel (ϑ) ange
nähert ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |