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Piezoelektrisch betätigtes, steuerbares Einsprtz-
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ventil.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisch betätigtes,
steuerbares Einspritzventil, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben
ist.
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Aus der DE-OS 17 51 543 ist ein elektrisch steuerbares Einspritzventil
für Verbrennungsmotore bekannt, bei dem die Düsennadelmittels eines piezoelektrischen
Körpers, mit dem diese Düsennadel hydraulisch oder mechanisch verbunden ist, geöffnet
und geschlossen w Mit Hilfe eines piezoelektrischen Körpers lassen sich zwar nur
sehr kleine, dafür aber sehr kräftige 3ewegungenerzeugen, wie sie für das Öffnen
und Schließen einer Düsennadel eines Einspritzventils erforderlich sind. Die nur
kleinen erreichbaren Auslenkungen - wenn man von ohnehin unvorteilhaften Übersetzungen
wie Hetelmechan men absieht - werfen insoweit Probleme auf, als sie in die Größenordnung
von thermischen Ausdehnungen kommen, die bei den außerdem sehr großen Temperaturunterschieden
bei Einspritzventilen im Betrieb auftreten. Ein derartiges Einspritzventil muß bei
allen in Frage kommenden Temperaturen sich zuverlässig und außerdem um ein vo.rgegebenes
Maß öffnen und ebenso zuverlässig schließen.
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Bei dem bekannten Einspritzventil der obengenannten DE-OS ist bereits
die Verwendung von Federn.vorgesehen, mit denen ein-bestimmter Schließdruck und/oder
ein Temperaturausgleich erreicht werden soll.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein im Bereich der
vorkommenden Arbeitstemperaturen temperaturunabhängiges Einspritzventil anzugeben,
das mit piezoelektrischer Kraft steuerbar betätigt wird, wobei die zur Temperaturkompensation
und zur Erzeugung des Anpreßdrucks der Düsennadel in ihrem Ventilsitz vorgesehene
eine oder mehrere Federn keinen negativen Einfluß auf das betriebsweise piezoelektrisch
bewirkte Öffnen und Schließen der Düsennadel hat -(-haben)+ Diese Aufgabe wird für
ein Einspritzventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß mit
den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen
und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, die im wesentlichen statische
Kraftwirkung der Feder funktionell von der dynamischen Kraftwirkung des piezoelektrischen
Körpers des Ventils zu trennen. Die Düsennadel steht bei der Erfindung permanent
unter dem Anpreßdruck der einen oder der mehreren vorgesehenen Federn, deren Anpreßdruck
- wie schon beim Ventil nach der obengenannten DE-OS -einstellbar ausgeführt sein
kann. Auch bei der Erfindung stehen die oben erwähnte Andruckfeder, der piezoelektrische
Körper und die Düsennadel mechanisch in Verbindung miteinander. Bei der Erfindung
ist jedoch die Düsennadel mit dem piezoelektrischen Körper starr verbunden, und
der piezoelektrische Körper ist mit dem (Gehäuse des) Einspritzventil elastisch
bzw. federnd verbunden. Zur federelastischen Halterung des piezoelektrischen Körpers
kann allein die Andruckfeder verwendet sein. Es können hierzu aber auch noch zusätzliche
Federn, insbesondere zur elastischen Halterung des piezo-
elektrischen
Körpers in allen drei Richtungen vorgesehen sein.
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Physikalisch liegt der vorliegenden Erfindung das Prinzip zugrunde,
die sehr rasch vorsichgehenden piezoelektrischen Bewegungen unmittelbar, insbesondere
starr, auf die Düsennadel zu übertragen. Dabei kann aufgrund der trägen Masse des
piezoelektrischen Körpers wenigstens die Hälfte seiner absolut zur Verfügung stehenden
piezoelektrischen Weglängenänderung ausgenutstwerden. Unter Verwendung einer Zusatzmasse
kann aber sogar bis nahezu der gesamte Bewegungshub zur Ventiloffnung nutzbar gemacht
werden.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand
der Figuren gegebenen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele hervor.
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Die Fig.1 bis 3 zeigen drei an sich äquivalente HalterungsartenqQn
W sennadel, piezoelektrischem Körper und etwaiger Zusatzmasse im Einspritzventil.
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Fig.4 zeigt ein Beispiel einer technischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Einspritzventils.
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In den Fig.1 bis 3 sind nur die für die Erläuterung des der Erfindung
zugrunde liegenden Funktionsprinzips notwendigen Einzelheiten eines piezoelektrisch
betriebenen Einspritzventils wiedergegeben. Mit 1 ist jeweils der piezoelektrische
Körperbezeichnet, der - wie beim oben angegebenen Stand der Technik - eine Säule
aus aufeinanderliegenden piezokeramischen Scheiben sein kann oder ein wie in Fig.4
angegebener lamellierter Körper ist.
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Prinzipiell könnte auch ein Vollkörper verwendet werden, dessen Dimensionierung
jedoch gewisse Schwierigkeiten bezüglich der zu seinem Betrieb erforderlichen hohen
Anregungaspannungenmit sich bringen würde.
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Mit 2 ist jeweils die Düsennadel bezeichnet, die sich in dem mit 3
bezeichneten Ventilsitz des nur z.T. dargestellten Gehäuses 4 des ganzen Einspritzventils
befindet.
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Mit 5 bzw. 5' sind eine oder mehrere Federn bezeichnet, mit denen
die Düsennadel 2 - wie bereits aus diesen Prinzipdarstellungen ersichtlich - in
den Ventilsitz 3 gedrückt werden kann. Die eine oder mehreren Federn cm,5' stehen
mit ihrem (jeweils) einen Ende mit dem piezoelektrischen Körper 1 in mechanischer
Verbindung. Das jeweils andere Ende der Federn 5, 5! ist in mechanischer Verbindung
mit irgendeinem festen Teil des (nur teilweise dargestellten) Gehäuses 4. Je nach
Ort dieses Gehäuseteils ist bzw. sind die Feder(n) 5, 5' Druckfedern oder Zugfedern.
Nicht dargestellt sind Vorrichtungen, wie z.B. Stellschrauben zum Einjustieren und/oder
steuerbarem Verändern der durch die Federspannung hervorgerufenen Anpreßkraft der
Spitze der Düsennadel 2 im Ventilsitz 3. Ohne Schwierigkeiten sind die Federn 5,
5' in der Lage, jegliche~ in Frage kommenden, temperaturbedingten Abme s sungsänderungen
des Einspritzventils derart auszugleichen, daß höchstens unwesentliche Unterschiede
des statischen Anpreßdrucks der Düsennadel 2 im Ventilsitz 3 auftreten können. Die
Federn 5, 52 allein wirken dahingehend, das Ventil, bestehend aus Düsennadel 2 und
Ventilsitz 3, dauernd geschlossen zu halten.
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Erfindungsgemäß steht nun aber die Düsennadel 2 mit dem piezoelektrischen
Körper 1 in starrer Verbindung. Eine
piezoelektrische Erregung des
piezoelektrischen Körpers 1 (mit Hilfe einer an - hier nicht dargestellt - Elektroden
des Körpers 1 zugeführten elektrischen Impulsspannung) führt bekanntlich zu einer
Formänderung des piezoelektrischen Körpers 1, wobei der Aufbau des Körpers 1 (z.B.
aus Scheiben oder Lamellen), der Ort und die Anbringung der Elektroden, das Vorzeichen
der angelegten elektrischen Impulsspannung und dergl. so gewählt sind, daß mit deS
Impulsspannung eine Kontraktion des piezoelektrischen Körpers 1 eintritt, wie sie
mit dem Doppelpfeil 6 angedeutet ist. Da diese Kontraktion ganz plötzlich und weit
schneller als jegliche Folgebewegung der Federn 5, 5' erfolgt, wird die Spitze der
Düsennadel 2 vom Ventilsitz 3 zwangsläufig abgehoben. In vernünftigen Grenzen des
Anpreßdrucks der Düsennadel 2 im Ventilsitz 3 ist dieses Abheben der Düsennadel
2 vom Ventilsitz 3, d.h. das Öffnen des Ventils, unabhängig vom Anpreßdruck der
Federn 5, 5'. Bei den in den Fig.1 bis 3 dargestellten Prinzipien - und zwar noch
ohne Berucksichtigung der noch zu erläuternden Zusatzmasse -ist die Hubbewegung
h der Spitze der Düse 2 gleich groß der Hälfte der Kontraktionsweglänge des gesamten
Körpers 1 (in Richtung 6). Die mittlere, gestrichelt dargestellte Ebene 7 des piezoelektrischen
Eörpers 1 bleibt bei dieser raschen Bewegung in Ruhe, denn die Masse der Düsennadel
2 kann als klein gegenüber der Masse des piezoelektrischen Körpers 1 betrachtet
werden. Dies insbesondere deshalb, weil vorzugsweise für einen solchen piezoelektrischen
Körper Piezokeramik verwendet wird, die vorzugsweise aus Bleizirkonat-Titanat besteht
(das wegen seines Bleigehalts ohnehin spezifisch hohes Gewicht hat).
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Bei Verwendung einer wie in den Fig.1 bis 3 gestrichelt dargestellten
Zusatzmasse 8 verlagert sich die Ebene 7
in Richtung auf diese Zusatzmasse
8, und im Extremfall kann der Hub h der Spitze der Düsennadel 2 gleich der vollen
Kontraktionslänge des Körpers 1 werden, nämlich wenn die Masse 8 groß gegenüber
der Masse des piezoelektrischen Körpers 1 gemacht wird.
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Fig.4 zeigt eine Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Einspritzventils,
das mit dem an seinem Gehäuse 4 befindlichten Gewinde 14 in den betreffenden Motor
einzuschraubenist. Mit 15 ist ein Stutzen für die Zuführung des von diesem Ventil
einzuspritzenden Treibstoffs bezeichnet.
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Die Düsennadel 2 ist mit einem piezoelektrischen Körper verbunden,
der bei diesem Beispiel die Form eines Pakets 21 aus Lamellen aus Piezokeramik hat.
Wie dies nicht ins einzelne gehend dargestellt ist, befinden sich zwischen den einzelnen
Lamellen dieses Pakets 21 elektrisch leitende Elektroden, die entsprechend paarweise
mit den Zufübrungsleitungen 16 und 17 verbunden sind, über die die zur piezoelektrischen
Anregung notwendige Impulsspannung zugeführt wird. Wie bereits oben als Prinzip
der Erfindung hervorgehoben, sind die Düsennadel und das den piezoelektrischen Körper
bildende Paket 21 (am einen Ende dieses Pakets) starr miteinander verbunden.
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Ebenfalls starr miteinander verbunden sind das andere Ende des Pakets
21 und eine fakultativ zusätzlich vorgesehene Masse 28. Das Paket 21 des piezoelektrischen
Körpers ist federnd mit dem Gehäuse 4 verbunden, und zwar bei dieser Ausführungsform
in der Weise, daß die zusätzliche Masse 28 diese federnde Verbindung mit dem Gehäuse
4 aufweist. Diese federnde Anbringung der Masse 28 des Pakets 21 und damit der Düsennadel
2 be-
wirken zum einen die Druckfeder 25 und zum anderen die beispielsweise
blattförmigen Haltefedern 125. Diese Haltefedern 125 dienen in erster Linie dazu,
die Zentrierung von Masse 28, Paket 21 und Düsennadel 2 in bezug auf den Ventilsitz
3 zu gewahrleisten. Mit Hilfe einer Einstellschraube 225 läßt sich die Druck-Vorspannung
der Feder 25 wahlweise regulieren.
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Entsprechend der bereits oben prinzipiell beschriebenen Betriebsweise
eines erfindungsgemäßen Einspritzventils -es handelt sich hier um das Prinzip nach
der Fig.3 -wird durch die aus einem steuerbaren Generator 117 zugeführte Impuls
spannung mit weitgehend rechteckiger Impulsform eine piezoelektrische Erregung der
Gesamtheit der Lamellen des Pakets 21 bewirkt, und zwar mit dem Ergebnis einer momentanen
LEngenkontraktionentsprechend der angegebenen Pfeilrichtung 6. Wegen der Massenträgheit
der Masse 28 und auch des Pakets 21 selbst erfolgt ein Zurückziehen der Düsennadel
2, so daß der Ventilsitz 3 für das Hindurchtreten der unter Druck stehenden, einzuspritzenden
Flüssigkeit frei wird. Bei wie in Frage kommender relativ kurzer Impulsdauer hält
diese Langenkontraktion über die Dauer des Impulses an. Mit Impulsende erfolgt somit
wieder das Schließen des Ventilsitzes 3 durch die Düsennadel 2. Der Anpreßdruck
der D!isennadel 2 infolge der Druckkraft der Feder 25 ist so bemessen, daß jeglicher
Gegendruck 41 aus dem Zylinderinnenraum weit überschritten wird.
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Etwaige Längenänderungen innerhalb des Einspritzventils aufgrund von
Temperaturänderungen -desselben haben keinerlei (nennenswerten) Einfluß auf diesen
Schließungsdruck des Einspritzventils, da die Direktionskraft der Feder für derart
geringe Änderungen der Längenabmessungen un-
verändert ist. Die
Kontraktion des Pakets 21 entsprechend dem Doppelpfeil 6 bei angelegter Impulsspannung
erfolgt stets unabhängig vom Anpreßdruck der Feder 25 (und der Federn 125). Dazu
ist der Quotient aus m1+m8, nämlich der Masse des Piezokörpers 1 bzw. des Pakets
21 in Fig.4 und der gegebenenfalls vorgesehenen zusätzlichen Masse 8 bzw. 28, und
dem Wert D, nämlich der gesamten Feder-Rückstellkraft der Federn 5, 25 und gegebenenfalls
125 größer als das Quadrat der (maximalen) Öffnungszeit rdes Ventils. In Formeln
lautet dies:
Für diese Formel ist berücksichtigt, daß die maximale Öffnungszeit rdes Ventils
auf jeden Fall ca. fünfmal kürzer als die Periodendauert1 der Grundresonanz f
des Schwingsystems aus Direktionskraft der einen oder mehreren Federn und der gesamten
schwingungsfähigen Masse ist. In den voranstehenden Betrachtungen ist die.
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an.- sich .?dditiv noch hinzukommende Masse der Düsennadel außer Betracht
gelassen worden.
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3 Patentansprüche' 4 Figuren