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Dokumentenidentifikation DE10037527A1 15.02.2001
Titel Piezoelektrische Einspritzeinrichtung
Anmelder Denso Corp., Kariya, Aichi, JP
Erfinder Igashira, Toshihiko, Kariya, Aichi, JP;
Narahara, Yoshihiro, Kariya, Aichi, JP;
Kojima, Akikazu, Kariya, Aichi, JP;
Kondo, Toshio, Kariya, Aichi, JP
Vertreter Tiedtke, Bühling, Kinne & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 01.08.2000
DE-Aktenzeichen 10037527
Offenlegungstag 15.02.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2001
IPC-Hauptklasse F02M 47/02
Zusammenfassung Eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung hat eine Piezopumpenkammer (3), deren Druck gemäß einer Expandierbewegung und einer Kontraktionsbewegung eines Piezostapels (2) zunimmt und abnimmt, einen Arbeitskolben (5), der sich in einem Zylinder (15) im Ansprechen auf den Druck der Piezopumpenkammer gleitfähig bewegt, und ein Ventilelement (74), das durch den Arbeitskolben zum Steuern einer Verbindung zwischen einer Überlaufkammer (6), die mit einem Niederdruckkanal (14) in Verbindung steht, und einer Steuerkammer (7), die mit einem Hochdruckkanal (16) in Verbindung steht, angetrieben wird.
Der Arbeitskolben (5) ist mit einem Kanal (53) versehen, von dem ein Ende zu der Überlaufkammer (6) offen ist und von dem das andere Ende zu der Piezopumpenkammer (3) offen ist, und des weiteren ist ein Einwegeventil (9) in dem Kanal (53) vorgesehen, um ein Strömen des Fluids nur von der Überlaufkammer (6) zu der Piezopumpenkammer (3) zu ermöglichen. Während eines Prozesses, bei dem Kraftstoff in die Piezopumpenkammer (3) mit einem Betrag strömt, der dem Kraftstoff entspricht, der von der Piezopumpenkammer (3) zu einer Entlastungsnut (24) nach oben ausgetreten ist, kann die Luftblase in dem Kraftstoff abgeführt werden.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung, die bei einem Common Rail-Einspritzsystem verwendet wird.

Herkömmlich ist als ein Kraftstoffeinspritzsystem ein Common Rail-Einspritzsystem bekannt, bei dem mit einem hohen Druck beaufschlagter Kraftstoff, der von einer Kraftstofflieferpumpe geliefert wird, in einer Common Rail gespeichert wird. Gemäß diesem System wird der Kraftstoffdruck in der Common Rail auf einen Zielwert auf der Grundlage der Motorbetriebsbedingungen geregelt und der mit einem hohen Druck beaufschlagte Kraftstoff in der Common Rail wird von jeweiligen Einspritzeinrichtungen zu den jeweiligen Zylindern bei jeweils vorbestimmten zeitlichen Abstimmungen eingespritzt. Als Einspritzeinrichtung für diesen Zweck gibt es beispielsweise eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung, bei der ein Gegendruck einer Düsennadel durch ein piezobetätigtes Ventil gesteuert wird, wie dies in den Patenten US 5 779 149 und JP-A-9-184 463 gezeigt ist.

Im allgemeinen hat die piezoelektrische Einspritzeinrichtung eine Piezopumpenkammer für ein Umwandeln eines Expansions- und Kontraktionshubs von einem Piezostapel in einen hydraulischen Druck und einen Arbeitskolben, der gleitfähig in einem Zylinder durch den hydraulischen Druck in der Piezopumpenkammer bewegt wird. Die Bewegung des Arbeitskolbens bewirkt, dass ein in der Steuerhydraulikkammer vorgesehenes Ventilelement über eine mit dem Arbeitskolben einstückige Drückstange angetrieben wird. Die Steuerhydraulikkammer ist beispielsweise mit einer Öffnung, die mit einer Gegendruckkammer verbunden ist, einer mit einem Ablaufkanal verbundenen Öffnung und einer mit der Common Rail verbundenen Öffnung versehen. Wenn der Piezostapel einen Kontraktionshub ausführt, wird das Ventilelement betätigt, um die mit dem Ablaufkanal verbundene Öffnung zu schließen. Zu diesem Zeitpunkt nimmt, da die Gegendruckkammer mit der Common Rail über die Steuerhydraulikkammer verbunden ist, der Gegendruck der Düsennadel zu, so dass ein Einspritzloch geschlossen werden kann. Wenn der Piezostapel einen Expansionshub ausführt und der Druck in der Piezopumpenkammer zunimmt, bewirkt der Arbeitskolben, dass das Ventilelement angetrieben wird, um die mit dem Ablaufkanal verbundene Öffnung zu öffnen und die mit der Common Rail verbundene Öffnung zu schließen. Als ein Ergebnis fällt der Druck in der Gegendruckkammer ab, so dass die Düsennadel zum Einspritzen von Kraftstoff angehoben werden kann.

Die herkömmliche piezoelektrische Einspritzeinrichtung hat jedoch einen Nachteil dahingehend, dass ein Eindringen einer Luftblase in die Piezopumpenkammer wahrscheinlich ein Betriebfehlverhalten bewirkt. Beispielsweise ist der herkömmliche Aufbau nicht mit einer Einrichtung zum Abführen der Luftblase versehen, wenn die Luftblase in der Piezopumpenkammer aufgrund von Veränderungen der Umgebungstemperatur, des Umgebungsdrucks und dgl. ausgebildet wird. Demgemäß kann der Expansions- und Kontraktionshub des Piezostapels nicht immer genau zu dem Arbeitskolben übertragen werden. Des weiteren besteht ein weiterer Nachteil dahingehend, dass beim erstmaligen Starten des Motors vor dem Verkauf des Fahrzeugs das Ventilelement nicht betätigt wird, da kein Kraftstoff in der Piezopumpenkammer vorhanden ist. Daher muss der Kraftstoff separat in die Piezopumpenkammer eingefüllt werden.

Um das vorstehend erwähnte Problem zu lösen, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung zu schaffen, die einen kompakten Aufbau mit einer besseren Betriebseigenschaft dahingehend hat, dass eine in der Piezopumpenkammer gebildete Luftblase beim Betätigen der piezoelektrischen Einspritzeinrichtung mit Leichtigkeit abgeführt wird und das beim erstmaligen Starten des Motors die Luft in der Piezopumpenkammer mit Leichtigkeit entfernt werden kann, so dass Kraftstoff eingefüllt wird.

Um diese Aufgabe zu lösen hat die piezoelektrischen Einspritzeinrichtung eine Piezopumpenkammer, deren Druck gemäß einer Expandierbewegung und einer Kontraktionsbewegung eines Piezostapels zunimmt und abnimmt, einen Arbeitskolben, der sich in einem Zylinder im Ansprechen auf den Druck der Piezopumpenkammer gleitfähig bewegt, und ein Ventilelement, das durch den Arbeitskolben zum Steuern einer Verbindung und einer Unterbrechung der Verbindung zwischen einer Überlaufkammer, die mit einem Niederdruckkanal in Verbindung steht, und einer Steuerkammer, die mit einem Hochdruckkanal in Verbindung steht, angetrieben wird. Ein Einspritzloch wird durch ein Verringern und Erhöhen des Druckes in der Steuerkammer in Übereinstimmung mit dem Betrieb des Ventilelements geöffnet und geschlossen.

Die piezoelektrische Einspritzeinrichtung der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzeinrichtung einen Kanal hat, von dem ein Ende zu der Überlaufkammer geöffnet ist, und von dem das andere Ende zu der Piezopumpenkammer geöffnet ist, und sie des weiteren ein in dem Kanal vorgesehenes Einwegeventil hat, um ein Strömen des Fluids lediglich von der Überlaufkammer zu der Piezopumpenkammer zu ermöglichen.

Gemäß dem Aufbau der herkömmlichen piezoelektrischen Einspritzeinrichtung bewirkt die in der Piezopumpenkammer während der Betätigung der Einspritzeinrichtung ausgebildete Luftblase wahrscheinlich ein Betriebsfehlverhalten dahingehend, dass der Expansions- und Kontraktionshub des Piezostapels nicht genau zu dem Arbeitskolben übertragen werden kann. Wenn jedoch gemäß dem Aufbau der vorliegenden Erfindung der Piezostapel sich ausdehnt, tritt ein Abschnitt des Fluids in der Piezopumpenkammer über einen kleinen Zwischenraum aus. Dann wird der Druck in der Piezopumpenkammer um den ausgetretenen Betrag verringert, wenn der Piezostapel 2 sich zusammenzieht. Demgemäß strömt das Fluid in der Überlaufkammer zur Piezopumpenkammer über den vorstehend erwähnten Kanal und das vorstehend erwähnte Einwegeventil. Durch ein Wiederholen dieses Vorgangs kann die Luftblase in der Piezopumpenkammer abgeführt werden, bevor ein großes Volumen an einer Luftblase sich ansammelt, so dass das Betriebsfehlverhalten verhindert werden kann.

Vorzugsweise sind der Kanal und das Einwegeventil in dem Arbeitskolben vorgesehen. Eine einfache Änderung der herkömmlichen Konstruktion ermöglicht ein Abführen der Luftblase ohne ein Vergrößern der Einspritzeinrichtung.

Des weiteren ist ein Piezokolben vorzugsweise zwischen dem Piezostapel und der Piezopumpenkammer vorgesehen, um die Expandierbewegung und die Kontraktionsbewegung des Piezostapels in eine Volumenänderung der Piezopumpenkammer umzuwandeln. Eine Entlastungsnut, die mit dem Niederdruckkanal in Verbindung steht, und ein Dichtelement, das sich zwischen der Entlastungsnut und dem Piezostapel befindet, um einen Außenumfang des Piezokolbens herum vorgesehen sind.

Die Entlastungsnut dient dem Erleichtern des Strömens des Fluids von der Piezopumpenkammer zu dem Niederdruckkanal, so dass die Luftblase noch schneller abgeführt werden kann.

Vorzugsweise nimmt das Ventilelement den Druck der Steuerkammer in einer Richtung zum Unterbrechen der Verbindung zwischen der Steuerkammer und der Überlaufkammer auf und andererseits wird das Ventilelement durch eine Drängeinrichtung in eine Richtung zum Ermöglichen der Verbindung zwischen der Steuerkammer und der Überlaufkammer gedrängt. Somit ist die Verbindung zwischen der Steuerkammer und der Überlaufkammer möglich, bis der Druck der Steuerkammer zu einem vorbestimmten Druckwert angestiegen ist.

Beim Starten des Motors hält die Vorspanneinrichtung das Ventilelement, um die Verbindung zwischen der Steuerkammer und der Überlaufkammer zu ermöglichen, bis der Fluiddruck in dem Hochdruckkanal einen vorbestimmten Druckwert erreicht hat, wobei das Fluid in die Steuerkammer strömt. Zu diesem Zeitpunkt strömt das Fluid von dem Hochdruckkanal zu der Überlaufkammer über die Steuerkammer und des weiteren strömt ein Teil des Fluids in der Überlaufkammer in die Piezopumpenkammer über den vorstehend erwähnten Kanal und über das Einwegeventil. Da das Einwegeventil in dem vorstehend erwähnten Kanal vorgesehen ist, strömt das Fluid in der Piezopumpenkammer über den kleinen Zwischenraum heraus, ohne zu der Überlaufkammer zurückzukehren. Bei dem vorstehend erwähnten Prozess wird die Piezopumpenkammer von Luft frei und wird mit Fluid gefüllt. Als ein Ergebnis ist ein zusätzlicher Arbeitsschritt zum vorherigen Einfüllen von Kraftstoff in die Piezopumpenkammer nicht erforderlich, so dass die Arbeitseffektivität verbessert werden kann.

Wenn der vorbestimmte Druckwert so eingestellt ist, dass er niedriger als der Einspritzdruck ist, wird ein Einspritzloch nicht geöffnet und Kraftstoff wird nicht während der Zeitspanne eingespritzt, während der Luftblase abgeführt wird selbst wenn der Druck der Steuerkammer niedriger als der Umgebungsdruck ist.

Vorzugsweise ist eine Drossel zwischen der Überlaufkammer und dem Niederdruckkanal vorgesehen. Wenn der Druck in der Überlaufkammer aufgrund der Drossel höher wird, strömt das Fluid mit Leichtigkeit zu der Piezopumpenkammer über den vorstehend erwähnten Kanal, so dass die Luftblase gleichmäßig abgeführt werden kann.

Die anderen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung und die Verfahren zum Betreiben und die Funktion der zugehörigen Teile werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, den beigefügte Ansprüchen und den Zeichnungen deutlich, die sämtlich ein Teil dieser Anmeldung bilden.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsgesamtansicht von einer piezoelektrischen Einspritzeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel wird beispielsweise als eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für ein Common Rail- Einspritzsystem verwendet. Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Piezostapel 2 in einem zylindrischen Element 22 untergebracht, das eine Abdeckung an seiner Oberseite hat. Das zylindrische Element 22 ist an einem zylindrischen Gehäuse 11 der piezoelektrischen Einspritzeinrichtung 1 befestigt, indem ein unterer Teil des zylindrischen Elements 22 in einen oberen Teil des Gehäuses 11 eingeschraubt ist. Ein Ventilkörper 41, in dem eine ein Ventilelement zum Einspritzen von Kraftstoff bildende Düsennadel 4 enthalten ist, ist in den unteren Teil des Gehäuses 11 eingeschraubt und darin befestigt. Der Piezostapel 2 ist eine in einer Form einer rechtwinkligen Säule ausgebildete piezoelektrische Vorrichtung und hat die Eigenschaft, dass seine Länge sich bei einer Anregung ausdehnt und bei einer Entregung zusammenzieht. Der Piezostapel 2 wird durch eine (nicht gezeigte) Außensteuereinrichtung über einen Draht 21 gesteuert, der die Abdeckung des zylindrischen Elementes 22 durchdringt und mit einem oberen Ende des Piezostapels 2 verbunden ist.

Das Gehäuse 11 ist in seinem Inneren mit einem Zylinder 11 versehen, in dem ein Piezokolben 23 gleitfähig untergebracht ist, und eine Piezopumpenkammer 3 ist unterhalb des Piezokolbens 23 ausgebildet. Ein oberes Ende des Piezokolbens 23 gelangt mit einem unteren Ende des Piezostapels 2 in Kontakt und ein Ausdehnungsmoment und ein Zusammenziehmoment des Piezostapels 2 wird direkt zu dem Piezokolben 23 übertragen, so dass das Volumen der Piezokammer 3 kontrahiert und ausgedehnt werden kann. Eine Blattfeder 31 ist in der Piezopumpenkammer 3 vorgesehen, um den Piezostapel 2 über den Piezokolben 23 nach oben, d. h. in einer Richtung, bei der der Piezostapel 2 kontrahiert wird, zu drängen.

Der Piezokolben 23 ist an seinem Außenumfang mit einer Entlastungsnut 24 versehen, die mit einem Niederdruckaufnahmekanal 14 über einen Kanal 13 in Verbindung steht. Es ist ein 2 bis 10 µm großer Zwischenraum 26 zwischen der Außenumfangsfläche des Piezokolbens 23 und der Innenumfangsfläche des Zylinders 12 vorhanden. Wenn das Volumen der Piezopumpenkammer 3 sich zusammenzieht oder kontrahiert, strömt der durch den Zwischenraum 26 ausgetretene Kraftstoff zu dem Ablaufkanal 14 über der Entlastungsnut 24 und den Kanal 13. Die Konstruktion, bei der der Kraftstoff von der Piezopumpenkammer 3 nach oben austritt ist dahingehend vorteilhaft, dass die Luftblase, die wahrscheinlich an einem oberen Teil der Piezopumpenkammer 3 stagniert, abgeführt wird. Der Piezokolben 23 ist des weiteren an einer oberen Seite der Entlastungsnut mit einer ringförmigen Nut versehen, in der ein O-Ring 25, ein Dichtelement, zum Verhindern eines Kraftstoffaustretens zu einer Seite des Piezostapels 2 enthalten ist. Der Ablaufkanal 14 ist mit einem Außenseitenkraftstoffbehälter über einen (nicht gezeigten) Kanal verbunden.

Das Gehäuse 11 ist an einer unteren Seite des Zylinders 12 und an der gleichen axialen Linie wie der Zylinder 12 mit einem Zylinder 15 mit einem kleinen Durchmesser versehen, in dem ein Arbeitskolben 5 gleitfähig untergebracht ist. Der Zylinder 15 mit dem kleinen Durchmesser ist an seinem unteren Abschnitt mit einer Überlaufkammer versehen, die mit dem Ablaufkanal 14 über eine Drossel 61 in Verbindung steht.

Eine Steuerhydraulikdruckkammer 7, die eine als ein Dreiwegeventil wirkende Steuerkammer bildet, ist an einem Abschnitt ausgebildet, an dem das Gehäuse 11 und der Ventilkörper 41 einander gegenüberstehen. Die Steuerhydraulikdruckkammer 7 ist mit drei Öffnungen versehen, d. h. eine mit der Überlaufkammer 6 in Verbindung stehende Öffnung 71, eine Öffnung 72 direkt unterhalb der Öffnung 71 und eine zu einer Seite von ihr offene Öffnung 73. Die Öffnung 72 steht mit einem Hochdruckkanal 16 in Verbindung und die Öffnung 73 steht mit einer Gegendruckkammer 8 in Verbindung, die an einer oberen Seite der Düsennadel 4 vorgesehen ist. Der Arbeitskolben 5 hat eine Drückstange 51 mit einem geringen Durchmesser, die nach unten außermittig von seinen unteren Ende vorsteht. Die Druckstange 51 erstreckt sich derart, dass sie durch die Öffnung 71 hindurchtritt und mit einem Kugelventil 74 in Kontakt steht, dass die Rolle eines Ventilelements in der Steuerhydraulikdruckkammer 7 übernimmt. Das Kugelventil 74 dient dem wahlweisen Öffnen und Schließen der Öffnung 71 oder der Öffnung 72. Die Öffnung 73 ist immer geöffnet.

Der Hochdruckkanal 16 erstreckt sich in der nach oben und nach unten gerichteten Richtung in dem Gehäuse 11 und dem Ventilkörper 41 und ein unteres Ende des Kanals 16 ist zu einem Kraftstoffsammelpunkt 81 offen, der um einen mittleren Abschnitt der Düsennadel 4 herum vorgesehen ist. Ein oberes Ende des Hochdruckkanals ist von einer Seite des Gehäuses 11 zu einer Außenhochdruckquelle (beispielsweise ein Hochdruckspeicher in der Common Rail) über einen (nicht gezeigten) Kanal verbunden. Kraftstoff mit einem Druck von 20 bis 200 Mpa wird zu dem Kanal 16 während des Betriebs des Motors geliefert. Der Kraftstoffdruck erteilt dem Kugelventil 74 eine nach oben gerichtete Kraft (in der Richtung zum Schließen der Öffnung 71), so dass das Kugelventil 74 den geschlossenen Kontakt mit der Drückstange 51 halten kann. Wenn der Piezostapel 2 vollständig expandiert ist, ist die Öffnung 72 durch die Drückstange 51 geschlossen, die eine nach unten gerichtete Kraft aufnimmt. Andererseits wird die Öffnung 71 durch den Kraftstoffdruck geschlossen, wenn der Piezostapel 2 vollständig kontrahiert ist.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Arbeitskolben 5 in seinem Inneren mit einem Kanal 52 versehen, der die Überlaufkammer 6 mit der Piezopumpenkammer 3 verbindet, und mit einem Einwegeventil 9 versehen, dass lediglich ein Strömen des Kraftstoffes von der Überlaufkammer 6 zu der Piezopumpenkammer 3 ermöglicht. Das Einwegeventil 9 besteht aus einem Ventilsitz 92 und einem Kugelventil 91. Der Ventilsitz 92 ist an einem Ende des Kanals 52 vorgesehen, das zu der Piezopumpenkammer 3 offen ist. Das Kugelventil 91 ist in einer Vertiefung gehalten, die an einem oberen Ende des Arbeitskolbens 5 vorgesehen ist und schließt den Ventilsitz 92, wenn es mit dem Ventilsitz 92 in Kontakt gelangt. Das Kugelventil 91 wird in eine Richtung zum Schließen des Ventilsitzes 92 durch eine Feder 93 gedrängt, die zwischen dem Kugelventil 91 und einem unteren Ende des Piezokolbens 23 vorgesehen ist. Die Drängkraft der Feder 93 ist so eingestellt, dass das Kugelventil 91 den Ventilsitz 92 verlässt, wenn ein geringfügiger Druckunterschied zwischen der Überlaufkammer 8 und der Piezopumpenkammer 3auftritt. Als ein Ergebnis fließt der Kraftstoff von der Überlaufkammer 8 zu der Piezopumpenkammer 3, so dass eine Wirkung eines Abführens einer Luftblase verbessert werden kann.

Der Arbeitskolben 5 wird zu der Überlaufkammer 6 durch eine Feder 53 gedrängt, die zwischen seinem oberen Ende und einem unterem Ende des Piezokolbens 23 vorgesehen ist. Die Drängkraft der Feder 53 ist so eingestellt, dass die Öffnung 71 durch das Kugelventil 74 geschlossen ist, wenn der Druck des von dem Hochdruckkanal 16 zu der Steuerhydraulikdruckkammer 7 strömenden Kraftstoffes einen vorbestimmten Wert überschreitet. Bevor der Kraftstoffdruck den vorbestimmten Wert erreicht, wird die Verbindung zwischen der Steuerhydraulikdruckkammer 7 und der Überlaufkammer 8 gehalten. Daher strömt beim allerersten Starten des Motors der Kraftstoff zu der Überlaufkammer 16 über die Öffnung 71 und danach wird die Piezopumpenkammer 3 mit dem durch den Kanal 52 strömenden Kraftstoff gefüllt.

Der Ventilkörper 41 ist mit einem Zylinder 42 versehen, in dem ein Befehlskolben 43 gleitfähig eingebaut ist. Eine Gegendruckkammer 8, die an einem oberen Teil des Zylinders 42 vorgesehen ist, steht ständig mit der Steuerhydraulikdruckkammer 7 über die Öffnung 73 in Verbindung, so dass der Befehlskolben 43 in der nach oben und nach unten weisenden Richtung in dem Zylinder 42 gemäß der Zunahme und Abnahme des Kraftstoffdruckes in der Gegendruckkammer 8 sich bewegen kann. Der Befehlskolben 43 wird durch eine Feder 45 nach unten gedrängt, die in einem Federraum 44 positioniert ist, der um einen unteren Teil von ihm vorgesehen ist. Ein unteres Ende des Befehlskolbens 43 gelangt mit der Düsennadel 4 in Kontakt, so dass der Druck in der Gegendruckkammer 8 zu der Düsennadel 4 übertragen werden kann. Die Feder 45 wird zwischen einem an dem Ende des Befehlskolbens 43 vorgesehenen Flansch und einer oberen Fläche des Federraums 44 gehalten. Der Federraum steht mit dem Ablaufkanal 14 in Verbindung.

Der Durchmesser der Düsennadel 4 an ihrer oberen Hälfte ist größer als der Durchmesser an ihrer unteren Hälfte. Ein Absatzabschnitt 46 der Düsennadel 4 ist an der Kraftstoffsammelfläche 81 so positioniert, dass die Düsennadel 4 den Kraftstoffdruck aufnehmen kann. Die Düsennadel 4 ist an ihrem unteren Abschnitt mit einem Ventilelement versehen, das ein Einspritzloch 82 an seinem Führungsende schließt. Wenn der Druck in der Gegendruckkammer 8 abnimmt, wird das Ventilelement durch den Druck an dem Kraftstoffsammelpunkt 81 angehoben, der an dem Absatzabschnitt 46 wirkt, so dass das Einspritzloch 82 mit dem Kraftstoffsammelpunkt 81 über einen Kanal 83 in Verbindung stehen kann, der um die untere Hälfte der Düsennadel 4 herum vorgesehen ist.

Nachstehend wird der Betrieb der vorstehend erwähnten piezoelektrischen Einspritzeinrichtung 1 beschrieben. Zunächst bewegt sich als Basisvorgang, wenn der Piezostapel 2 der piezoelektrischen Einspritzeinrichtung 1 über den Draht angeregt wird und expandiert, der Piezokolben 23 nach unten, um das Volumen der Piezopumpenkammer 2 zu verringern. Demgemäß bewirkt der hydraulische Druck in der Piezopumpenkammer 3 eine Bewegung des Arbeitskolbens 5 nach unten, so dass die mit dem Kolben 5 einstückige Drückstange 51 das Kugelventil 74 anheben kann, das zu diesem Zeitpunkt die Öffnung 71 schließt. Wenn das Kugelventil 74 die Öffnung 71 verlässt und die Drückstange 5 sich weiter nach unten bewegt, schließt das Kugelventil 74 die Öffnung 72. Daher wird die Verbindung der Steuerhydraulikdruckkammer 7 mit dem Hochdruckkanal 16 unterbrochen und statt dessen gelangt die Steuerhydraulikdruckkammer 7 mit der Überlaufkammer 6 in Verbindung, die unter einem geringen Druck steht, so dass der Druck in der Steuerhydraulikdruckkammer 7 sinken kann. Gleichzeitig wird der Druck der Gegendruckkammer 8 gesenkt, die mit der Steuerhydraulikdruckkammer 7 über die Öffnung 73 in Verbindung steht.

Der Absatzabschnitt 46 an dem Kraftstoffsammelpunkt 81 nimmt eine Ventilöffnungskraft auf, die in einer Richtung wirkt, in der die Düsennadel 4 das Einspritzloch 82 verlässt. Wenn der hydraulische Druck in der Gegendruckkammer 8, der den Befehlskoben 42 nach unten drängt, verringert ist, überschreitet die Ventilöffnungskraft die Summe von einer nach unten gerichteten Drängkraft der Feder 45 und einer nach unten gerichteten hydraulischen Druckkraft der Gegendruckkammer 8, so dass die Düsennadel angehoben werden kann. Als ein Ergebnis wird unter hohem Druck stehender Kraftstoff von dem Einspritzloch 82 eingespritzt, da der Kraftstoffsammelpunkt 81 mit dem Einspritzloch 82 in Verbindung steht.

Dann wird, wenn der Piezostapel 2 entregt wird und kontrahiert, der Piezokolben 23 durch die Drängkraft der Blattfeder 31 bewegt, um das Volumen der Piezopumpenkammer 3 zu erhöhen. Wenn der Druck in der Piezopumpenkammer 3 abgenommen hat, überschreitet der an dem Kugelventil 74 nach oben wirkende hydraulische Druck die Summe von nach unten wirkenden Drängkräften der Federn 53 und 93 und der hydraulischen Druckkraft in der Piezopumpenkammer 3, die an dem Arbeitskolben 5 nach unten wirkt, so dass sich das Kugelventil 74 zusammen mit der Drückstange 51 nach oben bewegen kann.

Daher strömt, wenn das Kugelventil 74 die Öffnung 72 verlässt und die Öffnung 71 schließt, unter hohem Druck stehender Kraftstoff in die Steuerhydraulikdruckkammer 7, so dass der Druck in der Gegendruckkammer 8 erhöht werden kann, die mit der Steuerhydraulikdruckkammer 7 über die Öffnung 73 in Verbindung steht. Die Druckzunahme in der Gegendruckkammer 8 bewirkt eine nach unten gerichtete Bewegung des Befehlskolbens 42 und der Düsennadel 4, so dass die Verbindung zwischen dem Kraftstoffsammelpunkt 81 und dem Einspritzloch 82 unterbrochen wird, so dass das Kraftstoffeinspritzen anhalten kann.

Nachstehend wird eine Wirkungsweise dahingehend beschrieben, dass in der Piezopumpenkammer 3 beim erstmaligen Starten des Motors Luft ausgebracht und Kraftstoff eingefüllt wird. Beim Starten des Motors dauert es 1 bis 25, um den Kraftstoffdruck in dem Hochdruckkanal 16 von 0 bis zu einem vorbestimmten Druck von bspw. 20 Mpa zu erhöhen. Während einer derartigen Zeitspanne wird Kraftstoff nicht eingespritzt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Drängkraft der Feder 53 für das Vorspannen des Arbeitskolbens 5 so eingestellt, dass bis zum Erreichen des Kraftstoffdruckes von bspw. 5 Mpa während der Druckzunahme das Kugelventil 74 nicht die Öffnung 71 schließt, die mit der Überlaufkammer 6 in Verbindung steht. Die Drängkraft der Feder 53 ist außerdem so eingestellt, dass, wenn der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckkanal 16 bspw. 1 Mpa überschreitet, das Kugelventil 74 nicht die Öffnung 72 schließt, die mit dem Hochdruckkanal 16 in Verbindung steht. Anders ausgedrückt stehen die beiden Öffnungen 72 und 71 mit der Steuerhydraulikdruckkammer 7 in Verbindung, solange der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckkanal 16 zwischen 1 und 5 Mpa liegt (bei dem in Fig. 1 gezeigten Zustand).

Bei dem vorstehend erwähnten Zustand strömt der Kraftstoff in dem Hochdruckkanal 16 zu der Überlaufkammer 6 über die Steuerhydraulikdruckkammer 7 und strömt danach zu dem Ablaufkanal 14 über die Drossel 61. Zu diesem Zeitpunkt wird der Kraftstoffdruck in der Überlaufkammer 6 höher als der Kraftstoffdruck in dem Ablaufkanal 14 aufgrund der Düse 61. Dem gemäß strömt ein Teil des Kraftstoffes in der Überlaufkammer 6 in die Piezopumpenkammer 3 über den Kanal 52 und über das Einwegeventil 9 und strömt des weiteren zu dem Ablaufkanal 14 über den Zwischenraum 26 und die Entlastungsnut 24. Obwohl die Drossel 61 dem Unterstützen des Strömens des Kraftstoffes zu der Piezopumpenkammer 3 dient, bewirkt selbst bei nicht an der Einspritzeinrichtung vorgesehener Drossel 61 ein Druckunterschied aufgrund der Druckpulsation einer Strömung des Kraftstoffs zu der Piezopumpenkammer 3 mit der gleichen Wirkung, wie sie vorstehend erwähnt ist.

Wie dies vorstehend erwähnt ist, wird die Luft in der Piezopumpenkammer 3 vollständig herausgebracht und die Piezopumpenkammer 3 kann mit Kraftstoff gefüllt werden. Die Drängkraft der Feder 45, die die Düsennadel 4 in der Ventilschließrichtung vorspannt, ist so eingestellt, dass die Düsennadel 4 in einem Ventilschließzustand sein kann, wenn der Kraftstoffdruck an dem Kraftstoffsammelpunkt 81 einen Wert von 15 Mpa beträgt und der Kraftstoffdruck in der Gegendruckkammer 8 einen Wert von 0 Mpa beträgt. Daher findet, wenn die Luft herausgebracht worden ist, wie dies vorstehend erwähnt ist (bspw. wenn der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckkanal 16 geringer als 5 Mpa ist und die Steuerhydraulikdruckkammer 7 mit der Überlaufkammer 8 in Verbindung steht), ein unbeabsichtigtes Kraftstoffeinspritzen niemals statt.

Da, wie dies vorstehend erwähnt ist, die Luft in der Piezopumpenkammer 3 herausgebracht werden kann, und die Piezopumpenkammer 3 schnell mit Kraftstoff beim erstmaligen Starten des Motors gefüllt werden kann, ist es nicht erforderlich, separat dazu einen Prozess zum Einfüllen von Kraftstoff in die Piezopumpenkammer 3 vorzusehen, so dass die Produktivität bei der Herstellung verbessert werden kann. Das vorstehend erwähnte Luftausbringen bei der Piezopumpenkammer 3 kann beim Starten des Motors, unmittelbar bevor der Motor auf den Markt gebracht wird, beim erneuten Starten des Motors, nachdem der Kraftstoff ausgegangen ist, und beim erneuten Starten des Motors, nachdem dieser eine längere Zeit nicht in Funktion war, wirkungsvoll ausgeführt werden.

Des weiteren wird eine Funktion dahingehend beschrieben, dass eine Luftblase während des Basisvorgangs abgeführt wird. Im allgemeinen besteht in Übereinstimmung mit der Veränderung der Umgebungstemperatur und des Umgebungsdrucks während des Basisvorgangs eine Möglichkeit dahingehend, dass eine kleine Luftblase in der Piezopumpenkammer 3 gebildet wird. Wenn die kleine Luftblase sich zu einem gewissen großen Volumen ansammelt, wird es unwahrscheinlich, dass die Bewegung des Piezokolbens 23 zu dem Arbeitskolben 5 übertragen wird. Gemäß dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel dient der Kanal 53 und das Einwegeventil 9 dem Abführen der Luftblase. D. h., wenn der Piezostapel 2 expandiert ist und die Piezopumpenkammer 3 unter hohem Druck steht, tritt eine sehr geringe Menge an Kraftstoff in der Piezopumpenkammer 3 zu dem Ablaufkanal 14 über den Zwischenraum 26 und die Entlastungsnut 24 aus. Dann wird beim Kontrahieren des Piezostapels 2 der Druck in der Piezopumpenkammer 3 um den zu dem Kanal 14 ausgetretenen Betrag verringert und, wenn die Druckverringerung einen vorbestimmten Wert erreicht hat, strömt der Kraftstoff in der Überlaufkammer 6 zu der Piezopumpenkammer 3 über den Kanal 53 und das Einwegeventil 9. Durch ein Wiederholen dieses Vorgangs kann die Luftblase in der Piezopumpenkammer 3 abgeführt werden, bevor die Luftblase sich zu einem großen Volumen angesammelt hat, so dass ein Betriebsfehlverhalten verhindert werden kann.

Da, wie dies vorstehend erwähnt ist, die Luft wirkungsvoll beim Starten des Motors herausgebracht wird und die Luftblase ebenfalls während des Betriebs abgeführt werden kann, ist es nicht erforderlich, den Kraftstoff separat in die Piezopumpenkammer 3 einzufüllen. Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung 1 mit einem sehr einfachen Aufbau und einer besseren Betriebseigenschaft erzielt werden. Des weiteren ist die Einspritzeinrichtung 1 sehr kompakt, da der Kanal 53 und das Einwegeventil 9 in dem Arbeitskolben 5 zum Abführen der Luft einstückig sind. Da darüber hinaus die Drossel 61 zwischen der Überlaufkammer 6 und dem Ablaufkanal 14 vorgesehen ist und eine Entlastungsnut 24 um den Piezokolben 23 herum vorgesehen ist, kann der Kraftstoff gleichmäßig von der Überlaufkammer 6 zu der Piezopumpenkammer 3 strömen. Da darüber hinaus der Kraftstoff von der Überlaufkammer 6 über den Kanal 53 und die Piezopumpenkammer 3 zu der Entlastungsnut 24 nach oben strömt, kann eine Luftblase, die wahrscheinlich an dem oberen Teil der Piezopumpenkammer 3 stagniert, wirkungsvoll abgeführt werden.

Bei dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel kann anstelle des Kugelventils 74 ein Schlotterventil als ein Ventilelement zum Öffnen und Schließen der jeweiligen Öffnungen der Steuerhydraulikdruckkammer 7 angewendet werden. Des weiteren kann die Steuerhydraulikdruckkammer 7 mit einem Zweiwegeventil anstelle des vorstehend erwähnten Dreiwegeventils versehen sein. In diesem Fall kann die Gegendruckkammer 8 mit dem Hochdruckkanal 16 über eine Blende ohne ein Vorsehen der Öffnung 72 in Verbindung stehen.

Des weiteren kann anstelle des Anordnens des Einwegeventlis 9 in dem Arbeitskolbens 5 das Einwegeventil 9 unabhängig von dem Arbeitskolben 5 vorgesehen sein.

Die piezoelektrische Einspritzeinrichtung hat die Piezopumpenkammer 3, deren Druck gemäß einer Expandierbewegung und einer Kontraktionsbewegung des Piezostapels 2 zunimmt und abnimmt, den Arbeitskolben 5, der sich in dem Zylinder 15 im Ansprechen auf den Druck der Piezopumpenkammer gleitfähig bewegt, und das Ventilelement 74, das durch den Arbeitskolben zum Steuern einer Verbindung zwischen der Überlaufkammer 6, die mit dem Niederdruckkanal 14 in Verbindung steht, und der Steuerkammer 7, die mit dem Hochdruckkanal 16 in Verbindung steht, angetrieben wird.

Der Arbeitskolben 5 ist mit dem Kanal 53 versehen, von dem ein Ende zu der Überlaufkammer 6 offen ist und von dem das andere Ende zu der Piezopumpenkammer 3 offen ist, und des weiteren ist das Einwegeventil 9 in dem Kanal 53 vorgesehen, um ein Strömen des Fluids nur von der Überlaufkammer 6 zu der Piezopumpenkammer 3 zu ermöglichen. Während eines Prozesses, bei dem Kraftstoff in die Piezopumpenkammer 3 mit einem Betrag strömt, der dem Kraftstoff entspricht, der von der Piezopumpenkammer 3 zu einer Entlastungsnut 24 nach oben ausgetreten ist, kann die Luftblase in dem Kraftstoff abgeführt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Piezoelektrische Einspritzeinrichtung mit

    einer Piezopumpenkammer (3), deren Druck gemäß einer Expandierbewegung und einer Kontraktionsbewegung eines Piezostapels (2) zunimmt und abnimmt,

    einem Arbeitskolben (5), der sich in einem Zylinder (15) im Ansprechen auf den Druck der Piezopumpenkammer gleitfähig bewegt, und

    einem Ventilelement (74), das durch den Arbeitskolben zum Steuern einer Verbindung zwischen einer Überlaufkammer (6), die mit einem Niederdruckkanal (14) in Verbindung steht, und einer Steuerkammer (7), die mit einem Hochdruckkanal (16) in Verbindung steht, angetrieben wird, wobei ein Einspritzloch (82) durch ein Verringern und Erhöhen des Druckes in der Steuerkammer in Übereinstimmung mit dem Betrieb des Ventilelements geöffnet und geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass

    die Einspritzeinrichtung einen Kanal (52) hat, von dem ein Ende zu der Überlaufkammer geöffnet ist, und von dem das andere Ende zu der Piezopumpenkammer geöffnet ist, und die des weiteren ein in dem Kanal (52) vorgesehenes Einwegeventil (9) hat, um ein Strömen des Fluids lediglich von der Überlaufkammer zu der Piezopumpenkammer zu ermöglichen.
  2. 2. Piezoelektrische Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kanal (52) und das Einwegeventil (9) in dem Arbeitskolben (5) vorgesehen sind.
  3. 3. Piezoelektrische Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei

    ein Piezokolben (23) zwischen dem Piezostapel (2) und der Piezopumpenkammer (3) vorgesehen ist, um die Expandierbewegung und die Kontraktionsbewegung des Piezostapels (2) in eine Volumenänderung der Piezopumpenkammer umzuwandeln, und

    eine Entlastungsnut (24), die mit dem Niederdruckkanal (14) in Verbindung steht, und ein Dichtelement (25), das sich zwischen der Entlastungsnut und dem Piezostapel befindet, um einen Außenumfang des Piezokolbens herum vorgesehen sind.
  4. 4. Piezoelektrische Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ventilelement (74) den Druck der Steuerkammer (7) in einer Richtung zum Unterbrechen der Verbindung zwischen der Steuerkammer und der Überlaufkammer (6) aufnimmt und andererseits das Ventilelement durch eine Drängeinrichtung (53) in eine Richtung zum Ermöglichen der Verbindung zwischen der Steuerkammer und der Überlaufkammer gedrängt wird, wodurch die Verbindung zwischen der Steuerkammer und der Überlaufkammer möglich ist, bis der Druck der Steuerkammer zu einem vorbestimmten Druckwert angestiegen ist.
  5. 5. Piezoelektrische Einspritzeinrichtung nach Anspruch 4, wobei der vorbestimmte Druckwert niedriger als der Einspritzdruck ist.
  6. 6. Piezoelektrische Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Drossel (61) zwischen der Überlaufkammer (6) und dem Niederdruckkanal (14) vorgesehen ist.






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