DE102005027443A1

DE102005027443A1 - Einspritzventil mit einer Dichtmembran

Info

Publication number: DE102005027443A1
Application number: DE200510027443
Authority: DE
Inventors: Günter LEWENTZ
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2006-12-28

Abstract

Der in Wirkverbindung mit einem Stellglied (5) stehende Aktor (2) ist über eine quer zur Wirkrichtung des Aktors (2) angeordnete Membran (4, 14) von dem Bereich des Einspritzventils getrennt, in dem sich Kraftstoff befindet. Statt einer bekannten Lochmembran (4) wird vorgeschlagen, dass die Membran (14) als durchgehende Scheibe ausgebildet ist, die einen Bereich aufweist, der in der Kraftleitung zwischen Aktor (2) und Stellglied (5) liegt, wobei die Membran (14) im Bereich der Kraftleitung durch mindestens eine lokale Verdickung (15, 16) verstärkt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil mit einem Gehäuse, in dem ein ansteuerbarer Aktor angeordnet ist, wobei der Aktor in Wirkverbindung mit einem Stellglied steht, und wobei der Aktor über eine quer zur Wirkrichtung des Aktors angeordnete Membran von den Bereich des Einspritzventils getrennt ist, in dem sich Kraftstoff befindet.

Ein Einspritzventil mit einer derartigen Dichtmembran ist bereits aus der DE 100 16 247 A1 bekannt.

Kraftstoff-Einspritzsysteme der heutigen Generation werden meist von Injektoren mit einem elektrisch angesteuerten Aktor angetrieben. Um ausreichend schnelle Schaltzeiten zu erzielen, hat sich vor allem der Einsatz piezoelektrischer Aktoren als vorteilhaft erwiesen. Diese Antriebe werden entweder als separate Antriebseinheiten auf den Injektor geflanscht, oder aber in den sogenannten inline-Injektoren direkt im Injektor eingebaut. Bei beiden Konzepten ist es nötig, den Antrieb gegen den anfallenden Kraftstoff (Leckage oder Hochdruck) abzudichten, um eine Beschädigung des Piezostacks bzw. seiner elektrisch isolierenden Umhüllung zu vermeiden.

Seit längerem bekannt ist die Abdichtung des Aktors mittels eines in Richtung der Längsdehnung des Aktors angeordneten Faltenbalges. Diese Anordnung ist jedoch platzaufwendig und führt zu einer Verringerung des Aktorhubs. Statt Faltenbalg wird deshalb zunehmend eine Dichtmembran eingesetzt, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Gehäuses bzw. Aktors angeordnet und seitlich im Ventilgehäuse befestigt ist.

Injektoren der bekannten Bauart werden aus Gründen der Festigkeit von metallischen Membranen abgedichtet. Um die sehr dünne Membran zu schonen, wird die Durchführung der Wirkver bindung zwischen Aktor und Stellglied durch die Dichtmembran dabei generell, wie auch in der DE 100 16 247 A1 ausführlich beschrieben, in der Weise realisiert, dass die kreisrunden Membranen in ihrer Mitte ein kreisrundes Loch aufweisen, durch das die Antriebsplatte (Bodenplatte) der Piezo-Antriebseinheit durchgeführt wird. Mit dem Außenrand wird die Membran in ein Gehäuse eingesetzt, das den Antrieb umgibt und ihn abdichtet. Um die Dichtheit gegen Kraftstoff zu gewährleisten, wird die bekannte Lochmembran sowohl innen mit der Bodenplatte, als auch außen mit dem Gehäuse dichtend verschweißt.

Als nachteilig bei diesem Konzept hat sich erwiesen, dass die freie radiale Biegelänge der Membran durch die Ausnehmung in der Mitte erheblich eingeschränkt wird, was zur Folge hat, dass die Spannungen in der Membran sehr hoch sind, wodurch wiederum der zulässige, maximale Hub der Membran stark begrenzt ist. Dieses Problem wird durch den gegenwärtigen Trend hin zu Dichtmembranen mit kleinerem Durchmesser zunehmend verschärft.

Erschwerend kommen noch die mit der inneren und äußeren Schweißnaht in Zusammenhang stehenden Belastungen hinzu. Die innere Schweißnaht muss so positioniert werden, dass sich diese nicht in einem Bereich befindet, in der kritisch hohe Spannungen auftreten können. Dieser Bereich wird noch durch die beim Schweißvorgang entstehende unvermeidliche Wärme-Einflusszone weiter eingeschränkt. Da durch den Schweißvorgang in der Regel die Festigkeit des Membranwerkstoffes in und um die Schweißnaht stark herabgesetzt wird, stellen Konzepte dieser Art große Anforderungen an Membranfestigkeit, Geometrie der Bauteile und Schweißverfahren. Lösungsansätze für das Problem der Belastung der äußeren Schweißnaht sind bereits aus der DE 100 16 247 A1 bekannt. Eine Lösung hinsichtlich der inneren Schweißnaht wird in der DE 199 02 260 A1 vorgeschlagen.

Im übrigen wird in der gattungsgemäßen DE 100 16 247 A1 eine "einfache" Ausführungsform erwähnt, wonach die Membran auch ohne mittige Ausnehmung als Platte mit Seitenrand ausgebildet sein kann. Dabei liegt die eine Seite der Membran am Stempelkolben an und die gegenüberliegende Seite der Membran wirkt auf das Stellglied bei einer Auslenkung des Aktors ein. Bei einer derartigen direkten Durchschaltung der Kraft des Aktors durch die dünne, die Auslenkungen des Aktors elastisch mitvollziehende Metallmembran müsste offensichtlich auf Grund der hohen lokalen Belastung der Membran bei der Kraftleitung und wegen den unvermeidlichen Relativbewegungen zwischen den im Kraftfluss liegenden Bauteilen mit einer sehr geringen Lebensdauer der Dichtmembran gerechnet werden, insbesondere auch im Hinblick auf die bei modernen Einspritzverfahren mit mehreren Ventilhüben pro Einspritzzyklus weiter erhöhte Belastung.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei geringem herstellungsmäßigen Aufwand ein gegenüber den genannten Nachteilen verbessertes Einspritzventil mit einer Dichtmembran der eingangs genannten Art bereitzustellen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Einspritzventil mit einer Dichtmembran gemäß Anspruch 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Gemäß der Erfindung ist die Membran als durchgehende Scheibe ausgebildet, die einen Bereich aufweist, der in der Kraftleitung zwischen Aktor und Stellglied liegt, wobei die Membran im Bereich der Kraftleitung durch mindestens eine lokale Verdickung verstärkt ist.

Erfindungsgemäß wird die Membran nicht mehr als Lochmembran ausgeführt, sondern stellt eine geschlossene, durchgehende Scheibe dar, deren gesamter Radius als Biegeradius zur Verfügung steht. Mit dieser durchgehenden und im Bereich der Kraftleitung verstärkten, festigkeitsoptimierten Membran wird gewährleistet, dass es beim Durchschalten der Aktorkraft durch die im Kraftfluss liegenden Bauteile (Bodenplatte, Membran und Ventil, bzw. Ventilkolben) nicht zu einer unzulässig hohen lokalen Belastung der dünnen Membran kommt.

Auch werden unvermeidliche, verschleißerzeugende Relativbewegungen zwischen den im Kraftfluss liegenden Bauteilen, die buchstäblich zu einem Zerreiben der Membran führen können, von den empfindlichen, dünnen Membranbereichen in unkritische, mit ausreichendem Material versehene Membranbereiche verlagert.

Ein weiterer Vorteil der durchgehenden Membran liegt darin, dass die homogenen Werkstoffeigenschaften nicht durch eine festigkeitsmindernde Schweißnaht und der damit einhergehenden Wärmeeinflusszone unterbrochen bzw. gestört werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Membran durch ein- oder beidseitige lokale Materialanhäufungen verdickt ausgeführt. Damit beispielsweise die "trockene" antriebsseitige Bodenplatte nicht direkt auf der in der Regel sehr dünnen Membran aufliegt, wird die Membran antriebsseitig in diesem Bereich verdickt ausgeführt. Die lokale Materialanhäufung kann jedoch auch nur, oder zusätzlich, auf der gegenüberliegenden "nassen" Seite durchgeführt werden, wo es zum direkten Kontakt mit dem Ventilkolben, oder direkt mit dem Ventil kommt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieser Ausführungsform besteht darin, dass mindestens einseitig an der Membran eine sich über den gesamten Bereich der Kraftleitung erstreckende plateauartige Materialanhäufung vorgesehen ist.

Die optimale Gestalt der Materialanhäufung(en) lässt sich sehr leicht mittels FEM (Finite-Elemente-Methode) ermitteln. Dabei ist die Form und Stärke der Verdickungen mittels der Finite-Elemente-Methode iterativ ermittelt worden, wobei die modellmäßige Generierung der lokalen Materialanhäufungen solange fortgesetzt worden ist, bis die – bei einer im Bereich der Kraftleitung angenommenen Last – in der Membran auftre tenden Spannungen höchstens einen zulässigen Maximalwert annehmen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Bodenplatte des Aktors entfallen. Dazu umfasst der Aktor einen Piezostack, der ohne Bodenplatte in eine Rohrfeder eingebracht ist, wobei die antriebsseitige Verdickung an der Membran in Form und Stärke so ausgeführt ist, dass die Verdickung bodenplattenartig bis in die Rohrfeder reicht und beim Vorspannen des Piezostacks mit dem abtriebsseitigen Ende der Rohrfeder verschweißbar ist.

Vorzugsweise ist gemäß einer weiteren Variante zur Optimierung bezüglich der Relativbewegungen zwischen der Membran und an der Kraftleitung beteiligten Bauteilen des Injektors im Bereich der Kontaktstellen zwischen den Verdickungen und den in der Kraftleitung liegenden Teilen mindestens eine Schweißverbindung vorgesehen. Die Schweißnähte liegen bei dieser Variante an einer spannungstechnisch völlig unkritischen, weil verdickten Stelle der Membran.

Gemäß einer herstellungstechnisch besonders einfachen Ausführungsform ist die Membran durch Stanzen aus einer ebenen Platte gefertigt, wobei die Erhabenheit der lokalen Verdickungen durch Prägen herausgearbeitet worden ist.

Vorteilhaft bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist insbesondere, dass die Membran im Bereich außerhalb der Verdickungen eine Dicke von 0,05 bis 0,2 mm aufweist, also trotz Festigkeitsoptimierung mittels der vorgesehenen, lokal begrenzten Verdickungen insgesamt uneingeschränkt elastisch bleibt.

Im übrigen ist es vorteilhaft, dass die Membran im Außenrandbereich in einen Seitenrand übergeht, dass der Seitenrand annähernd parallel zur Innenwand des Gehäuses ausgerichtet ist, und dass der Seitenrand mit der Innenwand dicht verbunden ist. Durch diese Art der Verbindung wird eine Abdichtung ge währleistet, die hoch belastbar ist. Die Haltbarkeit der dichten Verbindung, insbesondere einer Schweißnaht, wird durch den gegenüber einer Lochmembran vergrößerten Biegeradius noch verbessert.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
1 in Schnittdarstellung einen Teil eines Einspritzventils mit einer Lochmembran nach dem Stand der Technik,
2 in gleicher Darstellung eine erfindungsgemäße Dichtmembran mit antriebsseitigen Injektorbauteilen,
3 eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Dichtmembran.
In 1 ist ein Gehäuse 1 schematisch dargestellt, in dem ein Aktor 2 eingebracht ist. Der Aktor 2 liegt an einer (Kopf)Platte 8 an und weist auf der Seite, die der Platte 8 gegenüberliegend ist, einen Stempel bzw. eine Bodenplatte 3 auf. Der Aktor 2 weist elektrische Anschlüsse 7 auf, über die der Aktor 2 von einem Steuergerät ansteuerbar ist. Der Aktor 2 ist vorzugsweise als piezoelektrischer Aktor ausgebildet. Der Stempel 3 weist beispielhalber die Grundform einer kreisförmigen Platte auf, in der mittig ein zylinderförmiger Stempelkolben 6 ausgebildet ist, der vom Aktor weg gerichtet ist. Der Stempelkolben 6 ist bei dem in 1 dargestellten, aus dem Stand der Technik bekannten, Einspritzventil durch eine mittige, kreisförmige Ausnehmung 9 einer Lochmembran 4 geführt. Die Lochmembran 4 ist in ihrer Grundform eine ebene Scheibe, die im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Gehäuses 1 angeordnet ist und nach außen hin in einen Seitenrand 10 übergeht.
Der Stempelkolben 6 ist einem Stellglied 5 des Einspritzventils zugeordnet. Bei der Auslenkung des Aktors 2 wird das Stellglied 5 in entsprechender Weise ausgelenkt. Das Stell glied 5 steht beispielsweise mit einem Servoventil einer Druckkammer oder direkt mit einer Düsennadel in Wirkverbindung.
Im inneren Randbereich, der beim dargestellten bekannten Ventil um die Ausnehmung 9 in der Lochmembran 4 herum ausgebildet ist, ist die Lochmembran 4 über eine erste Schweißnaht 11 mit dem Stempel 3 umlaufend dicht verbunden. Der Seitenrand 10 ist über eine zweite Schweißnaht 12 mit der Innenwand des Gehäuses 1 umlaufend dicht verbunden. Die Lochmembran 4 geht von ihrem inneren Bereich, in dem sie scheibenförmig ausgebildet ist, über einen Biegeradius RB in den Seitenrand 10 über. Der Stempel 3 weist eine erste Auflagefläche 13 auf, mit der er auf der Lochmembran 4 aufliegt. Die Lochmembran 4 wird vorzugsweise aus einer Platte gefertigt, die in einem Tiefziehverfahren in eine Topf- oder Tellerform mit Seitenrand 10 überführt wird. Nach dem Tiefziehverfahren wird die Lochmembran 4 vorzugsweise einer Warmauslagerung unterzogen. Die genannten Herstellungsschritte sind in der gattungsgemäßen DE 100 16 247 A1 näher beschrieben.
2 zeigt eine erfindungsgemäße, nicht gelochte Membran 14, die antriebsseitig eine zentrale plateauförmige Verdickung 15 aufweist, auf der der Steuerkolben 6 der Bodenplatte 3 eines Aktors aufliegt. Das in den 2 und 3 nicht dargestellte technische Umfeld der im erfindungsgemäßen Einspritzventil integrierten Membran 14, insbesondere der Aktor 3, das Gehäuse 1 und das Stellglied 5, kann wie in 1 ausgeführt sein. Insbesondere geht die Membran 14 im Außenrandbereich in einen Seitenrand 10 gemäß 1 über, wobei der Seitenrand 10 im verbauten Zustand annähernd parallel zur Innenwand des Gehäuses ausgerichtet ist, und wobei der Seitenrand 10 mit der Innenwand dicht verbunden ist. Die Membran 14 weist insgesamt eine Tellerform mit aufgebogenem Seitenrand 10 auf, um die Befestigung an der Innenwand des Gehäuses 1 zu erleichtern.
3 zeigt eine Ausführungsform mit abtriebsseitiger plateauförmiger Materialanhäufung 16. Der Pfeil deutet die Richtung der durch die Membran 14 durchgeschaltete, also von ihr zu übertragenden Kraft F an. Optional ist auch, wie angedeutet, eine zusätzliche antriebsseitige Verdickung 15 möglich.
Zur Ermittlung der optimalen Gestalt der Verdickungen 15, 16 wird die Membran 14 zunächst im rechnerischen Modell mit einer Punktlast mittig belastet. An den Stellen, an denen sich örtlich sehr hohe Spannungen ergeben, wird Material generiert und die Punktlast wird entsprechend der Materialanhäufung in eine Flächenlast überführt. Mit diesem angepassten Modell wird dann der nächste Rechenlauf gestartet. Diese Vorgehensweise wird so lange angewendet, bis die Maximalspannungen in der Membran 14 unter den zulässigen Spannungen liegen.
Eine von der Darstellung in 2 etwas abweichende Variante sieht vor, dass die bodenplattenseitige Materialanhäufung 15 so dick (und breit) ausgeführt wird, dass die Bodenplatte 3 und der Steuerkolben 6 entfallen können, die Verdickung 15 bis in die Rohrfeder 18 reicht und beim Vorspannen des Piezostacks mit der Rohrfeder 18 verschweißt werden kann.
Zur Optimierung bezüglich der oben erwähnten Relativbewegungen im Bereich der Kontaktstellen kann, wie in 2 angedeutet, eine Schweißverbindung 17 zwischen den einzelnen im Kraftfluss liegenden Bauteilen, hier der Verdickung 15 und der Steuerkolben 6, vorgesehen sein. Insbesondere können die Bodenplatte 3 und obenliegende Materialanhäufungen 15 der Membran 14 und/oder der Ventil(-Kolben) (Stellglied 5) und untenliegende Materialanhäufungen 16 miteinander verschweißt werden. Die Schweißnähte 17 liegen in diesem Fall an einer spannungstechnisch völlig unkritischen Stelle der Bauteil-Verbindung.
Die Membran 14 kann durch Stanzen aus einer ebenen Platte gefertigt sein, wobei gleichzeitig die Erhabenheit der lokalen Verdickungen 15 und 16 durch Prägen herausgearbeitet worden ist. Außerhalb des Bereichs der Verdickungen 15 und 16 weist die Membran 14 eine Dicke von typischerweise 0,15 mm auf. Die Membran 14 kann aus einem metallischen Werkstoff oder aus einem nicht-metallischen Material hergestellt sein.

Claims

Einspritzventil mit einem Gehäuse (1), in dem ein ansteuerbarer Aktor (2) angeordnet ist, wobei der Aktor (2) in Wirkverbindung mit einem Stellglied (5) steht, und wobei der Aktor (2) über eine quer zur Wirkrichtung des Aktors (2) angeordnete Membran (4, 14) von dem Bereich des Einspritzventils getrennt ist, in dem sich Kraftstoff befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) als durchgehende Scheibe ausgebildet ist, die einen Bereich aufweist, der in der Kraftleitung zwischen Aktor (2) und Stellglied (5) liegt, wobei die Membran (14) im Bereich der Kraftleitung durch mindestens eine lokale Verdickung (15, 16) verstärkt ist.
Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) durch ein- oder beidseitige lokale Materialanhäufungen (15, 16) verdickt ausgeführt ist.
Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einseitig an der Membran (14) eine sich über den gesamten Bereich der Kraftleitung erstreckende plateauartige Materialanhäufung (15, 16) vorgesehen ist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Form und Stärke der Verdickungen (15, 16) mittels der Finite-Elemente-Methode iterativ ermittelt worden ist, wobei die modellmäßige Generierung der lokalen Materialanhäufungen (15, 16) so lange fortgesetzt worden ist, bis die – bei einer im Bereich der Kraftleitung angenommenen Last – in der Membran (14) auftretenden Spannungen höchstens einen zulässigen Maximalwert annehmen.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (2) einen Piezostack umfasst, der ohne Bodenplatte (3) in eine Rohrfeder (18) eingebracht ist, wobei die antriebsseitige Verdickung (15) an der Membran (14) in Form und Stärke so ausgeführt ist, dass die Verdi ckung (15) bodenplattenartig bis in die Rohrfeder (18) reicht und beim Vorspannen des Piezostacks mit dem abtriebsseitigen Ende der Rohrfeder (18) verschweißbar ist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Kontaktstellen zwischen den Verdickungen (15, 16) und in der Kraftleitung liegenden Bauteilen (5, 6) des Einspritzventils mindestens eine Schweißverbindung (17) vorgesehen ist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) durch Stanzen aus einer ebenen Platte gefertigt ist, wobei die Erhabenheit der lokalen Verdickungen (15, 16) durch Prägen herausgearbeitet worden ist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) im Bereich außerhalb der Verdickungen (15, 16) eine Dicke von 0,05 bis 0,2 mm aufweist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) im Außenrandbereich in einen Seitenrand (10) übergeht, dass der Seitenrand (10) annähernd parallel zur Innenwand des Gehäuses (1) ausgerichtet ist, und dass der Seitenrand (10) mit der Innenwand dicht verbunden ist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus einem nicht-metallischen Werkstoff hergestellt wird.