DE102005046778B4 - Dosing device for fluids, in particular motor vehicle injection valve - Google Patents
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Abstract
Dosiervorrichtung zur Dosierung eines unter Druck stehenden Dosierfluids, aufweisend – ein Gehäuse (1) mit einer Ventilnadel (3) und einem zur Dosierfluid-Zuführung hydraulisch offenen Ventilbereich (9), – einen in dem Gehäuse (1) angebrachten axial längenveränderbaren Aktor (4), der an seiner einen Stirnseite mit der Ventilnadel (3) und an seiner anderen Stirnseite mit einem hydraulischen Spielausgleichselement (10) verbunden ist, – einen hydraulisch geschlossenen Bereich, der mit einem hydraulischen Arbeitsmedium gefüllt ist, – wobei der mit Arbeitsmedium gefüllte Bereich durch eine hermetisch dichte Trennmembran (6) vom Ventilbereich (9) hydraulisch getrennt ist, so dass im Arbeitsmedium durch den sich durch die Trennmembran (6) hindurch übertragenden Druck des Dosierfluids ein Grunddruck erzeugbar ist, – wobei der Aktor (4) in einer Arbeitskammer (5) des Gehäuses (1) angeordnet ist, und die Arbeitskammer (5) durch die Trennmembran (6) in einen den Aktor (4) enthaltenden Aktorraum (7) und eine Fluidkammer (8) getrennt ist, wobei...Dosing device for dosing a pressurized dosing fluid, comprising - a housing (1) with a valve needle (3) and a valve area (9) which is hydraulically open for the dosing fluid supply, - an axially adjustable actuator (4) mounted in the housing (1) , which is connected to the valve needle (3) on its one end face and a hydraulic lash adjuster (10) on its other end face, - a hydraulically closed area that is filled with a hydraulic working medium, - the area filled with working medium by a The hermetically sealed separating membrane (6) is hydraulically separated from the valve area (9), so that a basic pressure can be generated in the working medium by the pressure of the metering fluid transmitted through the separating membrane (6), the actuator (4) in a working chamber (5 ) of the housing (1) is arranged, and the working chamber (5) through the separating membrane (6) into an actuator space containing the actuator (4) ( 7) and a fluid chamber (8) is separated, where ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zur Dosierung eines unter Druck stehenden Dosierfluids gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Vorrichtungen dieser Art, im Weiteren auch als Dosier- oder Einspritzventil bezeichnet, weisen als Hauptkomponenten einen elektromechanischen Aktor, der eine Ventilnadel antreibt, und einen hydraulischen Längenkompensator auf und werden insbesondere als Einspritzventile für Brennkraftmaschinen verwendet. Als weitere wesentliche Komponente weisen diese Vorrichtungen eine flexible Trennmembran auf, die den mit Dosierfluid (Kraftstoff) versorgten Ventilbereich von einem mit einem hydraulischen Arbeitsmedium gefüllten Bereich hydraulisch trennt, gleichzeitig aber den Druck des Dosierfluids auf das Arbeitsmedium überträgt.The invention relates to a metering device for metering a pressurized metering fluid according to the preamble of
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist bereits aus der
In der Kraftfahrzeugtechnik werden zunehmend Einspritzsysteme eingesetzt, bei denen Kraftstoff unter hohem Druck an in den Zylindern angeordneten Einspritzventilen angelegt wird. Der Einspritzvorgang direkt in den Brennraum der Zylinder wird durch Öffnen und Schließen der Einspritzventile ausgelöst, wobei die Einspritzventile über moderne Aktoren angesteuert werden, die – um hohe Schaltgeschwindigkeiten und die damit zusammenhängenden bekannten Vorteile hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Abgasen zu erreichen – insbesondere nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeiten.In automotive engineering, injection systems are increasingly used in which fuel is applied under high pressure to injection valves arranged in the cylinders. The injection process directly into the combustion chamber of the cylinder is triggered by opening and closing of the injectors, wherein the injectors are controlled by modern actuators, which - in order to achieve high switching speeds and the associated known advantages in terms of fuel consumption and exhaust gases - in particular work according to the piezoelectric principle ,
Die den Stellweg der Ventilnadel generierenden axialen Längenänderungen der modernen Festkörper-Aktoren werden primär durch die kurze Expansion des Aktor-Körpers bei Anlegen einer Erregerspannung hervorgerufen. Andere Einflüsse, insbesondere Temperaturänderungen, führen jedoch ebenfalls zu Längenänderungen des Aktors, die in der gleichen Größenordnung liegen wie der Aktorweg selbst, allerdings vergleichsweise langsam stattfinden. Um trotz derartiger nicht-dynamischer Längenänderungen einen vorgegebenen konstanten Stellweg des Aktors und damit einen gleich bleibenden Ventilnadelhub zu gewährleisten, ist es bekannt, einen hydraulischen Längenkompensator (Spielausgleichselement) in das Einspritzventil zu integrieren. Dieser umfasst üblicherweise eine Hydraulikkammer, die gedrosselt hydraulisch mit einer Ausgleichskammer verbunden ist. Ein expandierender Piezoaktor bewirkt, dass ein Hydraulikkolben Druck auf die mit einer Arbeitsflüssigkeit (typischerweise: Öl) gefüllte Hydraulikkammer ausübt. Bei schneller, dynamischer Expansion erlaubt die Drosselung keinen Druck- bzw. Flüssigkeitsausgleich, so dass sich Hydraulikkolben und Aktor auf dem Flüssigkeitspolster in der Hydraulikkammer abstützen, wodurch der Aktor bei Ventilbetätigung relativ zum Gehäuse festliegt. Bei langsamer Expansion hingegen kommt es zu einem Ausgleichsvorgang zwischen Hydraulikkammer und Ausgleichskammer, bis in den beiden Kammern gleich großer Druck herrscht und der Aktor wiederum – unter Kompensation seiner Längenänderung – gehäuseseitig festgelegt ist. Damit steht für erneute, kurzzeitige Ventilbetätigungen wieder der vollständige, konstante Stellweg zur Verfügung.The travel of the valve needle generating axial length changes of modern solid-state actuators are primarily caused by the short expansion of the actuator body when applying an excitation voltage. However, other influences, in particular temperature changes, also lead to changes in length of the actuator, which are of the same order of magnitude as the Aktorweg itself, however, take place relatively slowly. In order to ensure a predetermined constant travel of the actuator and thus a constant Ventilnadelhub despite such non-dynamic length changes, it is known to integrate a hydraulic Längenkompensator (backlash compensation element) in the injection valve. This usually includes a hydraulic chamber which is throttled hydraulically connected to a compensation chamber. An expanding piezoelectric actuator causes a hydraulic piston to exert pressure on the hydraulic chamber filled with a working fluid (typically oil). With rapid, dynamic expansion throttling allows no pressure or fluid compensation, so that the hydraulic piston and actuator are supported on the liquid cushion in the hydraulic chamber, whereby the actuator is fixed relative to the housing during valve actuation. With slow expansion, however, there is a balancing process between the hydraulic chamber and the compensation chamber, until the same pressure prevails in the two chambers and the actuator in turn - while compensating for its change in length - is fixed to the housing side. This means that the complete, constant travel is available for renewed, short-term valve actuations.
Im Zusammenhang mit dem hydraulischen Längenkompensator können Systeme zum Einsatz kommen, die im Hinblick auf das hydraulische Arbeitsmedium (Arbeitsflüssigkeit) hydraulisch offen oder geschlossen sind.In connection with the hydraulic length compensator systems can be used, which are hydraulically open or closed with regard to the hydraulic working fluid (working fluid).
In der
Zum anderen ist das Längenkompensationssystem dieses bekannten Dosierventils nicht hydraulisch abgeschlossen und mit einer speziellen Hydraulikflüssigkeit als Arbeitsflüssigkeit befüllt. Vielmehr ist die Hydraulikkammer über die Arbeitskammer druckbefüllbar und die Arbeitskammer selbst ist gegenüber dem Ventilraum bzw. der Dosierfluid-Zuführung hydraulisch offen. Die Arbeitsflüssigkeit und der Grunddruck des Kompensationssystems sind also unmittelbar durch das Dosierfluid selbst bzw. seinen über die Fluid-Zuleitung angelieferten Druck, hier: Kraftstoffdruck, gegeben. Dadurch kann die Hydraulikkammer mit einem zunehmend eingesetzten hohen Kraftstoffdruck von bis zu 300 bar beaufschlagt und der Aktor unter eine entsprechend hohe hydraulische Druckvorspannung gesetzt werden, die ihn vor schädlichen Zugspannungen im dynamischen Betrieb schützt. Die Hydraulikkammer wird durch den hohen Druck kavitationsfrei befüllbar und kann außerdem kurzfristig sehr hohe Zugkräfte aufnehmen, wie sie zum schnelleren Schließen der Dosieröffnung benötigt werden.On the other hand, the length compensation system of this known metering valve is not hydraulically completed and filled with a special hydraulic fluid as the working fluid. Rather, the hydraulic chamber via the working chamber is druckbefüllbar and the working chamber itself is hydraulically open with respect to the valve chamber and the dosing fluid supply. The working fluid and the base pressure of the compensation system are thus directly by the dosing fluid itself or its supplied via the fluid supply line pressure, here: fuel pressure given. As a result, the hydraulic chamber can be acted upon by an increasingly used high fuel pressure of up to 300 bar and the actuator can be placed under a correspondingly high hydraulic pressure bias, which protects it from damaging tensile stresses during dynamic operation. The hydraulic chamber can be filled free of cavitation due to the high pressure and can also absorb very high tensile forces in the short term, as they are needed for faster closing of the metering.
Durch ein derartiges, hydraulisch offenes System mit isobarer Anordnung, bei der alle Komponenten (Längenkompensator, Aktor, Ventil) mit Kraftstoff umgeben sind, können Abdichtungen des Spielausgleichselements bzw. des Aktors zum Ventilbereich zwar grundsätzlich entfallen; Voraussetzung ist jedoch die Kraftstofffestigkeit aller Komponenten, da Kraftstoff bekanntlich ein Medium ist, welches über längere Dauer einzelne Komponenten des Injektors schädigen kann. Zudem müsste das Spielausgleichselement auf Kraftstoff als Dämpfermedium hin speziell ausgelegt sein, da Kraftstoff als Dämpfermedium nur bedingt tauglich ist. Beispielsweise führt die Anpassung an die vergleichsweise geringe Viskosität von Kraftstoff (ca. 1/100 gegenüber Silikonöl) zu extrem engen Spaltmaßen zwischen Dämpferkolben und Zylinder.By such a hydraulically open system with isobaric arrangement, in which all components (length compensator, actuator, valve) are surrounded by fuel, seals of the lash adjuster or the actuator to the valve area may be omitted in principle; Requirement is However, the fuel resistance of all components, since fuel is known to be a medium which can damage individual components of the injector for a long period of time. In addition, the clearance compensation element would have to be specially designed for fuel as a damper medium, since fuel is suitable as a damping medium only conditionally. For example, the adaptation to the comparatively low viscosity of fuel (about 1/100 compared to silicone oil) leads to extremely narrow gaps between damper piston and cylinder.
Weitverbreitet sind Dosiervorrichtungen für Fluide mit einem hydraulisch abgeschlossenen Kompensationselement, wie sie z. B. in der
Aus der eingangs genannten
Das bekannte Einspritzventil setzte zur Abdichtung und Druckübertragung eine Metallmembran ein, die außerdem so flexibel sein soll, dass die unvermeidlichen, thermisch bedingten Volumenänderungen des Silikonöls im Aktorraum nicht zur dauerhaften Verformung der Membran führen. Dazu wird eine axial weiche Trennmembran, insbesondere eine Doppelmetallbalganordnung, vorgeschlagen. Silikonöl reagiert jedoch auf eine Temperaturänderung von hundert Grad Celsius mit einer erheblichen, etwa zehnprozentigen Volumenvergrößerung, die sich insbesondere auch in den Wellen des nur in einer Richtung flexiblen Metallbalges auswirkt und den Metallbalg stark beansprucht. Die Summe aller Anforderungen führt derzeit zur Auslegung der Metallmembran an den Materialgrenzen.The known injection valve used for sealing and pressure transmission a metal membrane, which should also be so flexible that the inevitable, thermally induced changes in volume of the silicone oil in the actuator chamber does not lead to permanent deformation of the membrane. For this purpose, an axially soft separation membrane, in particular a Doppelmetallbalganordnung proposed. However, silicone oil reacts to a temperature change of one hundred degrees Celsius with a significant, about ten percent volume increase, which in particular also affects the waves of flexible in one direction only metallic bellows and the metal bellows heavily stressed. The sum of all requirements currently leads to the design of the metal membrane at the material boundaries.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dosiervorrichtung bereitzustellen, die das beschriebene Anforderungsprofil möglichst weitgehend erfüllt und vor allem eine Optimierung der abdichtenden und druckübertragenden Trennmembran erlaubt. Die Vorteile einer hohen hydraulischen Druckvorspannung sollen bestehen bleiben.The object of the present invention is to provide a metering device which fulfills the described requirement profile as far as possible and, above all, permits an optimization of the sealing and pressure-transmitting separating membrane. The advantages of a high hydraulic compression preload should remain.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Dosiervorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.This object is achieved by a metering device according to
Erfindungsgemäß ist eine druckweiche und axial weiche Trennmembran aus einem elastischen Werkstoff vorgesehen. Diese Membran erfüllt zunächst eine abdichtende Funktion. Die Membran kann ferner dünn genug ausgelegt werden, um eine zur Druckübertragung ausreichende Flexibilität aufzuweisen. Auf Grund der axialen Elastizität kann die Membran die Lastspiele der Ventilnadelbewegung problemlos abfangen. Die Idee der Erfindung basiert jedoch vor allem darauf, dass auch die thermisch bedingten Volumenänderungen des Silikonöls in der Arbeitskammer durch druckweiche Anpassung der Form der elastischen Trennmembran problemlos abgefangen werden können.According to the invention, a pressure-smooth and axially soft separation membrane made of an elastic material is provided. This membrane initially fulfills a sealing function. The membrane may also be made thin enough to have sufficient flexibility for pressure transmission. Due to the axial elasticity, the membrane can easily absorb the load cycles of the valve needle movement. However, the idea of the invention is based primarily on the fact that the thermally induced volume changes of the silicone oil in the working chamber can be easily absorbed by pressure-soft adaptation of the shape of the elastic separation membrane.
In der erfindungsmäßen Ausführungsform der Erfindung ist der Aktor in einer Arbeitskammer des Gehäuses angeordnet, und die Arbeitskammer ist durch die Trennmembran in einen den Aktor enthaltenen Aktorraum und eine Fluidkammer getrennt. Dabei ist die Fluidkammer hydraulisch offen zum Ventilbereich und der Aktorraum ist hydraulisch offen zum mit dem Arbeitsmedium gefüllten Bereich ausgebildet, in dem insbesondere auch das hydraulische Spielausgleichselement angeordnet ist.In the embodiment of the invention according to the invention, the actuator is arranged in a working chamber of the housing, and the working chamber is separated by the separating diaphragm into an actuator space and a fluid chamber contained in the actuator. In this case, the fluid chamber is hydraulically open to the valve region and the actuator chamber is hydraulically open to the filled with the working fluid area, in which in particular the hydraulic clearance compensation element is arranged.
Die erfindungsgemäße Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass eine strumpfartige Trennmembran vorgesehen ist, die den Aktor mindestens über einen Teil seiner Länge umhüllt, wobei das ventilnadelseitige Ende des Aktors vom geschlossenen Ende der strumpfartigen Trennmembran umgeben ist, und wobei das offene Ende der strumpfartigen Trennmembran hermetisch dichtend mit der Innenwand der Arbeitskammer verbunden ist. Dieser Strumpf, insbesondere Gummistrumpf kann alle Funktionen der Trennmembran erfüllen. Primär stellt er eine leicht schräg zur Axialrichtung in der Arbeitskammer verlaufende elastische Trennwand zur Medientrennung zwischen dem Dosierfluid und dem Arbeitsmedium dar, das bei dieser Ausführungsform einerseits den Aktor unmittelbar umgibt und andererseits als hydraulische Arbeitsflüssigkeit im Längenkompensator zur Verfügung steht.The embodiment of the invention is characterized in that a stocking-like separation membrane is provided, which surrounds the actuator over at least a part of its length, wherein the valve needle end of the actuator is surrounded by the closed end of the stocking-like separation membrane, and wherein the open end of the stocking-like separation membrane hermetically sealingly connected to the inner wall of the working chamber. This stocking, especially rubber stocking can fulfill all functions of the separation membrane. Primarily, it represents a slightly oblique to the axial direction in the working chamber extending elastic partition for media separation between the dosing and the working fluid, which in this embodiment on the one hand directly surrounds the actuator and on the other hand is available as a hydraulic working fluid in the length compensator.
Die Trennmembranen können dabei vorzugsweise aus einem gummielastische Eigenschaften aufweisenden Elastomer oder aus Kunststoff gebildet sein und jeweils vorzugsweise eine Dicke von 0,5 bis 1 mm aufweisen.The separation membranes may preferably be formed from an elastomer having rubber-elastic properties or from plastic and preferably each having a thickness of 0.5 to 1 mm.
Die erforderlichen Verbindungen zwischen einem gummielastischen Material und den jeweiligen metallischen Befestigungsteilen des Einspritzventils, beispielsweise der metallischen Innenwand des Gehäuses bzw. einer Bodenplatte des Aktors, sind unproblematisch, z. B. mittels Vulkanisation, herstellbar.The required connections between a rubber-elastic material and the respective metallic fastening parts of the injection valve, such as the metallic inner wall of the housing or a bottom plate of the actuator, are not a problem, z. B. by vulcanization, can be produced.
Die beschriebene (Gummi)strumpf-Variante der Erfindung kann in vorteilhafter Weise dadurch weiter ausgestaltet werden, dass eine weitere Trennmembran vorgesehen und am hydraulischen Spielausgleichselement so angeordnet wird, dass die weitere Trennmembran das aktorseitige Ende des hydraulisch geschlossenen Spielausgleichselements bildet. Das Spielausgleichselement enthält ein weiteres Arbeitsmedium, das durch die weitere Trennmembran vom Aktorraum und dem darin enthaltenen Arbeitsmedium hydraulisch getrennt ist. Im weiteren Arbeitsmedium ist durch den sich durch die weitere Trennmembran hindurch übertragenden Druck des im Aktorraum befindlichen Arbeitsmediums ein Grunddruck erzeugbar. Dadurch, dass die weitere Trennmembran zur Medientrennung zwischen dem im Aktorraum befindlichen (ersten) Arbeitsmedium und einem im Spielausgleichselement als Hydraulikflüssigkeit dienenden zweiten Arbeitsmedium dient, sind die beiden Arbeitsmedien separat wählbar. Insbesondere können für die beiden Arbeitsmedien zwei Silikonöle mit unterschiedlichen, jeweils optimal auf den Aktor einerseits und das Spielausgleichselement andererseits abgestimmten Viskositäten gewählt werden.The described (rubber) stocking variant of the invention can be advantageously further developed in that a further separation membrane is provided and arranged on the hydraulic lash adjuster so that the further separation membrane forms the actuator end of the hydraulically closed lash adjuster. The clearance compensation element contains a further working fluid, which is hydraulically separated by the further separation membrane from the actuator chamber and the working medium contained therein. In the further working medium, a basic pressure can be generated by the pressure transmitted through the further separating membrane through the working medium located in the actuator chamber. Characterized in that the further separation membrane for media separation between the located in the actuator chamber (first) working medium and serving as a hydraulic fluid in the play compensation element second working medium, the two working media can be selected separately. In particular, for the two working media, two silicone oils with different, each optimally matched to the actuator on the one hand and the clearance compensation element on the other hand, viscosities can be selected.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Dosiervorrichtung anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert.In the following embodiments, the metering device is explained in more detail with reference to the figures of the drawing.
Oberhalb des Aktors
Die Trennmembran
Die thermisch bedingten Volumenänderungen des als Arbeitsmedium im Aktorraum
Der hohe, mindestens dem Kraftstoffdruck entsprechende Grunddruck im Längenkompensationssystem
Zum einen werden eventuell beim Befüllen des Einspritzventils mit Silikonöl mit in die Hydraulikkammer
On the one hand, possibly when filling the injection valve with silicone oil into the
Die Aktoreinheit
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Publication number | Publication date |
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20111022 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20120403 |