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Title:
INJECTION VALVE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/119049
Kind Code:
A1
Abstract:
An injection valve comprising an injector housing (1) provided with a recess (2), also comprising a piezo-actuator which is arranged in the recess (2) of the injector housing (1) and which comprises a stack of piezo-electric element and a thermal compensation element (36) which consists of a manganese-copper-nickel alloy.

Inventors:
LEWENTZ GUENTER (DE)
Application Number:
PCT/EP2005/051994
Publication Date:
December 15, 2005
Filing Date:
May 02, 2005
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
LEWENTZ GUENTER (DE)
International Classes:
F02M51/06; F02M61/16; F02M63/00; (IPC1-7): F02M61/16; F02M51/06
Domestic Patent References:
WO2003054378A12003-07-03
Foreign References:
US4284263A1981-08-18
DE10233906A12004-02-19
DE10219149A12003-11-20
US6422482B12002-07-23
DE19909106A12000-09-07
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse (1), das eine Ausnehmung (2) aufweist, mit einem PiezoAktuator, der in der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) angeordnet ist und der einen Stapel (34) piezoelektrischer Elemente und ein thermisches Aus¬ gleichselement (36) umfasst, das aus einer ManganKupfer NickelLegierung besteht.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, bei dem die ManganKupferNickelLegierung einen Anteil von etwa 72 Gew% Mangan, 18 Gew% Kupfer und 10 Gew% Ni¬ ckel aufweist.
Description:
Beschreibung

Einspritzventil

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere ein Einspritzventil zum Zumessen von Kraftstoff in eine Brenn¬ kraftmaschine.

Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zuläs¬ sigen Schadstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich di¬ verse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff- Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoffgemisches in dem je¬ weiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Diesel- Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2000 bar. Für derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Ein¬ spritzventile durch mit einem Piezo-Aktuator. Derartige Ein¬ spritzventile zeichnen sich aus durch sehr kurze Ansprechzei¬ ten des als Stellantrieb ausgebildeten Piezo-Aktuators. Sie ermöglichen so gegebenenfalls auch mehrfache Einspritzungen während eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brenn¬ kraftmaschine.

Aus der EP 1 111 230 A ist ein Einspritzventil bekannt mit einem Injektorgehäuse, das eine Ausnehmung aufweist. Dem Ein¬ spritzventil ist ferner ein Piezo-Aktuator zugeordnet, der in der Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente umfasst. Der Piezo- Aktuator ist in eine Rohrfeder eingebracht, die an ihren axi¬ alen Enden mit Kappen fest verbunden ist, über die eine Vor¬ spannungskraft hervorgerufen durch die Rohrfeder in den Sta¬ pel piezoelektrischer Elemente eingeleitet wird. In der Aus¬ nehmung des Injektorgehäuses sind zwei Faltenbalge angeord¬ net, die gewährleisten, dass der piezoelektrische Aktuator nicht mit Kraftstoff in Kontakt kommt.

Das Injektorgehäuse, das regelmäßig aus Stahl hergestellt ist, und der Stapel piezoelektrischer Elemente weisen erheb¬ lich unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. So hat der Stapel piezoelektrischer Elemente einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und das Injek¬ torgehäuse einen deutlich höheren thermischen Ausdehnungsko¬ effizienten. Bei einem Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine muss dieses bei sehr unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden können. Zum Ausgleichen der un¬ terschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist es bekannt, in dem Piezo-Aktuator ein thermisches Ausgleichsele¬ ment im axialen Anschluss an den Stapel der piezoelektrischen Elemente anzuordnen und dieses aus Aluminium auszubilden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil zu schaffen, das einfach ein präzises Steuern des Einspritzven¬ tils ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfin¬ dung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse, das eine Ausnehmung aufweist, und mit einem Piezo-Aktuator, der in der Ausnehmung des Injektorge- häuses angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente und ein thermisches Ausgleichselement umfasst, das aus einer Mangan-Kupfer-Nickel-Legierung besteht. Die Mangan- Kupfer-Nickel-Legierung kann auch als Manganbasislegierung bezeichnet werden. Sie zeichnet sich aus durch einen hohen Temperaturkoeffizienten. Sie zeichnet sich ferner aus durch ein hohes Elastizitätsmodul und ermöglicht so, dass bei einem Längen der piezoelektrischen Elemente unter hoher Last durch Zuführen einer entsprechenden elektrischen Energie zu dem Piezo-Aktuator sehr wenig Nutzhub des Piezo-Aktuators verlo¬ ren geht. Darüber hinaus kann auch so ein geringes Federn ge¬ währleistet werden, wenn beispielsweise ein Ventil, das durch den Piezo-Aktuator angetrieben wird, aus seiner Ξchließstel- lung herausbewegt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Mangan-Kupfer-Nickel-Legierung einen Anteil in etwa 72 Gew-% Mangan, 18 Gew-% Kupfer und 10 Gew-% Nickel auf. So hat die Mangan-Kupfer-Nickel-Legierung einen thermischen Ausdehnungs¬ koeffizienten α von in etwa 28 x 10""^ ±/κ in einem Tempera¬ turbereich von etwa 0 bis 200° C. Im Gegensatz zu Aluminium ist der thermische Ausdehnungskoeffizient somit in etwa 15 % höher. Das Einspritzventil kann so entsprechend kompakter ausgebildet werden. Ferner hat in diesem Fall die Mangan- Kupfer-Nickel-Legierung ein Elastizitätsmodul von ca. 125.000 N/mm2. Das Elastizitätsmodul ist somit fast doppelt so hoch wie das von Aluminium. Auf diese Weise kann einfach eine mit¬ tels des Einspritzventils zuzumessende Kraftstoffmasse in der Reproduzierbarkeit ihres Zumessens verbessert werden und so¬ mit auch kleinste Kraftstoffmengen sehr präzise zugemessen werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung beispielhaft erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Einspritzventil, das ein Injek¬ torgehäuse 1 hat, das eine Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 aufweist. In die Ausnehmung 2 ist ein Piezo-Aktuator einge¬ setzt, der mit einem Übertrager 6 gekoppelt ist. Der Übertra¬ ger 6 ist in einem Leckageraum 8 angeordnet. Ein Schaltventil 10, das bevorzugt als Servoventil ausgebildet ist, ist so an¬ geordnet, dass es abhängig von seiner Schaltstellung ein Le- ckagefluid, das in dieser Ausführungsform bevorzugt der Kraftstoff ist, absteuert. Das Schaltventil ist über den Ü- bertrager 6 mit dem Piezo-Aktuator gekoppelt und wird von ihm angetrieben, das heißt die Schaltstellung des Schaltventils 10 wird mittels des Piezo-Aktuators eingestellt. Das Schalt¬ ventil 10 ist in einer Ventilplatte 12 angeordnet.

Das Einspritzventil umfasst ferner einen Nadelführungskörper 14 und einen Düsenkörper 16. Die Ventilplatte 12, der Nadel¬ führungskörper 14 und der Düsenkörper 16 bilden eine Düsen¬ baugruppe, die mittels einer Düsenspannmutter 18 an dem In¬ jektorgehäuse 1 befestigt ist.

Der Nadelführungskörper 14 hat eine Ausnehmung, die als Aus¬ nehmung des Düsenkörpers 16 in dem Düsenkörper 16 fortgesetzt ist und in der eine Düsennadel 24 angeordnet ist. Die Düsen¬ nadel 24 ist in dem Nadelführungskörper 14 geführt. Eine Dü¬ senfeder 26 spannt die Düsennadel 24 in eine Schließposition vor, in der sie einen Kraftstofffluss durch eine Einspritzdü¬ se 28 unterbindet.

An dem axialen Ende der Düsennadel 24, das hingewandt ist zu der Ventilplatte 12, ist ein Steuerraum 30 ausgebildet, der über eine Zulaufdrossel mit einer Hochdruckbohrung 32 hydrau¬ lisch gekoppelt ist. Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Schließstellung, so ist der Steuerraum 30 hydraulisch entkoppelt von dem Leckageraum 8. Dies hat zur Folge, dass sich nach einem Schließen des Schaltventils 10 der Druck in dem Steuerraum 30 im wesentlichen dem Druck in der Hochdruck¬ bohrung 32 angleicht. Die Hochdruckbohrung 32 ist beim Ein¬ satz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine mit ei¬ nem Kraftstoffhochdruckspeicher hydraulisch gekoppelt und wird so mit Kraftstoff unter einem Druck von beispielsweise bis zu 2000 bar versorgt. Über den Steuerraum 30 wird auf¬ grund des Fluiddrucks in dem Steuerraum 30 auf eine Stirnflä¬ che der Düsennadel 24 ein Druck in Schließrichtung der Düsen¬ nadel 24 ausgeübt. Die Düsennadel 24 weist ferner axial beabstandet zu ihrer Stirnfläche einen Absatz auf, der mit Fluid, das durch die Hochdruckbohrung 32 strömt, derart be¬ aufschlagt wird, dass eine öffnend wirkende Kraft auf die Dü¬ sennadel 24 wirkt. Außerhalb ihrer Schließposition gibt die Düsennadel 24 einen den Kraftstofffluss durch die Einspritz¬ düse 28 frei. Ob die Düsennadel 24 sich in ihrer Schließposi¬ tion oder außerhalb ihrer Schließposition befindet hängt da¬ von ab, ob die Kraft, die an dem Absatz der Düsennadel 24 durch den dort herrschenden Druck des Fluids hervorgerufen wird, größer oder kleiner ist als die Kraft, die durch die Düsenfeder 26 und den auf die Stirnfläche der Düsennadel 24 einwirkenden Druck hervorgerufen wird.

Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Offenstellung, so strömt Fluid von dem Steuerraum 30 durch das Schaltventil 10 hinein in den Leckageraum 8. Bei geeigneter Dimensionierung der Zulaufdrossel sinkt dann der Druck in dem Steuerraum 30, was schließlich zu einer Bewegung der Düsennadel 24 aus ihrer Schließposition heraus führt. Der Druck des Fluids in dem Le- ckageraum 8 ist deutlich geringer als der Druck des Fluids in der Hochdruckbohrung 32.

Der Piezo-Aktuator umfasst einen Stapel 34 piezoelektrischer Elemente und ein thermisches Ausgleichselement 36. Der Stapel piezoelektrischer Elemente 34 und das thermische Ausgleichs¬ element 36 sind in eine Rohrfeder eingebracht. Die Rohrfeder ist an ihrem einen axialen Ende mit einer ersten Kappe ver¬ schweißt, die gegebenenfalls als der Übertrager 6 ausgebildet sein kann. An ihrem anderen axialen Ende ist die Rohrfeder mit einem Fixierelement 38 verschweißt. Die Rohrfeder steht unter einer vorgegebenen Vorspannung und spannt so den Stapel der piezoelektrischen Elemente mit einer vorgebbaren Kraft vor. Das Fixierelement 38 ist bevorzugt mit dem Injektorge¬ häuse 1 form- und/oder kraftschlüssig verbunden, insbesondere verstemmt.

Das thermische Ausgleichselement 36 besteht aus einer Mangan- Kupfer-Nickel-Legierung, die im Folgenden als Manganbasisle¬ gierung bezeichnet ist. Das thermische Ausgleichselement 36 ist bevorzugt aus einem Block, der vorzugsweise zylinderför¬ mig ist der Manganbasislegierung ausgebildet. Die Manganba¬ sislegierung besteht vorteilhafterweise in etwa aus 72 Gew-% Mangan, in etwa 18 Gew-% Kupfer und in etwa 10 Gew-% Nickel. Sie hat einen Temperaturausdehnungskoeffizienten von in etwa 28 x 10~6 l/K in dem Temperaturbereich von 0 bis 200° C. Die axiale Länge des thermischen Ausgleichselements 36 ist derart gewählt, dass der Piezo-Aktuator insgesamt in das gleiche thermische Dehnungsverhalten hat wie das Material , aus dem das Injektorgehäuse 1 hergestellt ist. Durch das Angleichen des thermischen Dehnungsverhaltens des Piezo-Aktuators an den des Injektorgehäuses 1 wird ein gleichbleibendes Schaltver¬ halten des Piezo-Aktuators im Hinblick auf die Ansteuerung des Schaltventils 10 unterstützt. Durch die hohe Steifigkeit der Manganbasislegierung des thermischen Ausgleichselements 36, die sich insbesondere auszeichnet durch einen hohen Man¬ gananteil, ist gewährleistet, dass bei einem Längen des Sta¬ pels 34 der piezoelektrischen Elemente durch die hohe Kraft, die von dem Ventil 10 auch auf das thermische Ausgleichsele- ment 36 einwirkt, nur wenig Nutzhub des Stapels 34 der piezo¬ elektrischen Elemente verloren geht. Somit kann die Ansteue¬ rung des Stapels 34 der piezoelektrischen Elemente mit einem sehr hohen Wirkungsgrad erfolgen.