-
Stand der Technik
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Fluiden
und insbesondere ein Brennstoffeinspritzventil zur Einspritzung
eines Brennstoffs.
-
Ventile
zum Steuern von Fluiden sind beispielsweise in Form von Brennstoffeinspritzventilen im
Kraftfahrzeugbereich in verschiedensten Ausgestaltungen bekannt.
Die bekannten Ventile mit einem nach innen öffnenden Ventilglied, z. B.
einer Ventilnadel oder einer Ventilkugel, dichten dabei an einem Ventilsitz
am Sitzdurchmesser ab. In jüngster
Zeit werden jedoch in größerem Umfang
immer höhere Drücke zur
Einspritzung verwendet, so dass an der Innenseite des Ventilglieds
ein sehr hoher Druck anliegt. Dementsprechend muss dabei eine Öffnungskraft
des Ventils vergrößert werden.
Dies bedeutet beispielsweise bei Magnetventilen, dass insbesondere
die magnetische Auslegung angepasst werden muss, was zu einem vergrößerten Bauraum
für die magnetischen
Ventilkomponenten führt.
Aufgrund der notwendigen Öffnungskräfte zum Öffnen des Ventilglieds
ist ferner nur ein kleiner Sitzdurchmesser möglich, an welchem das Ventilglied
am Ventilsitz abdichtet. Auch fuhren die großen Öffnungskräfte zu hohen elektrischen Leitungen,
was ebenfalls nachteilig hinsichtlich Bauraum und Kosten ist.
-
Vorteile der Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Ventil
zum Steuern von unter Druck stehenden Fluiden weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass eine Öffnungskraft
zum Öffnen
des Ventils deutlich geringer als im Stand der Technik ist. Hierdurch
kann ein Ventil mit einem besonders kleinen Bauraum, insbesondere
für magnetische
Komponenten, bereitgestellt werden. Ferner kann das Ventil einen
vergrößerten Sitzdurchmesser aufweisen.
Darüber
hinaus kann das Ventil derart vorgesehen werden, dass auch bei unterschiedlichen Druckhöhen des
Fluids nur eine Ventilauslegung, insbesondere für ein Öffnungsmodul zum Öffnen des Ventils,
notwendig ist. Hierdurch kann ein großer Gleichteileanteil für unterschiedliche
Ventile von verschiedenen Fahrzeugherstellern sichergestellt werden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass das Ventil eine Vorspanneinrichtung mit einem mit
Gas oder Vakuum gefüllten
Hohlkörper
umfasst, welcher mit dem unter Druck stehenden Fluid in Verbindung
ist. Der Hohlkörper
stellt eine Vorspannkraft auf das Ventilglied bereit. Das unter
Druck stehende Fluid ist dabei an der Außenseite des elastischen Hohlkörpers angeordnet.
Da der Fluiddruck den elastischen Hohlkörper verformt, wird eine Gegenkraft gegen
die Vorspannkraft bereitgestellt, so dass eine Öffnungskraft, welche zum Öffnen des
Ventils notwendig ist, im Wesentlichen unabhängig von einer Druckhöhe relativ
klein und konstant ist. Somit ist ein gewisser Kraftausgleich gegeben,
so dass die Öffnungskraft
auch bei verschiedenen Druckhöhen
im Wesentlichen konstant bleibt. Demnach sind die Öffnungskräfte zum Öffnen des
Ventils auch bei steigenden Drücken
des Fluids in einem Bereich, in dem keine Bauteile mit übermäßig großen Abmessungen oder
zu hohe elektrische Leistungen benötigt werden. Dadurch kann das
gesamte Ventil sehr kompakt und kleinbauend bereitgestellt werden.
-
Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Bevorzugterweise
stellt der Hohlkörper selbst
ausschließlich
die Vorspannkraft auf das Ventilglied bereit. Dadurch kann eine
besonders geringe Teilezahl erreicht werden.
-
Weiter
bevorzugt umfasst die Vorspanneinrichtung ein Federelement, welches
im Hohlkörper angeordnet
ist und welches zumindest einen Teil der Vorspannkraft auf ein Ventilglied
bereitstellt. Hierdurch ist es möglich,
einen besonders einfach aufgebauten Hohlkörper zu verwenden.
-
Vorzugsweise
ist der elastische Hohlkörper ein
Wellbalg, welcher im Wesentlichen rohrförmig mit wellenartigen, ringförmigen Einschneidungen
und ringförmigen
Ausbuchtungen ausgebildet ist. Der Wellbalg ist dabei in axialer
Richtung flexibel, in radialer Richtung jedoch steif ausgebildet.
Der Wellbalg ist dabei besonders bevorzugt konzentrisch zu einer Mittelachse
ausgebildet. Durch die Flexibilität in axialer Richtung des Ventils
kann der Wellbalg somit bei steigendem Druck des Fluids, welches
sich an der Außenseite
des Wellbalgs befindet, etwas zusammengedrückt werden. Dadurch erhöht sich
jedoch die durch den Wellbalg bereitgestellte Gegenkraft, so dass
eine Öffnungskraft
zum Öffnen
des Ventils im Wesentlichen konstant bleibt. Dabei kann der Hohlkörper zusätzlich eine
Vorspannfunktion für
ein Ventilglied übernehmen,
um das Ventilglied in einer geschlossenen Position zu halten.
-
Das
Ventil ist besonders bevorzugt ein Magnetventil mit einem Magnetanker,
wobei der Hohlkörper
unmittelbar am Magnetanker oder über
ein weiteres Bauteil am Magnetanker, wie z. B. einen Anschlagring
zur Begrenzung eines Hubes des Ventilglieds, fixiert ist.
-
Um
einen möglichst
guten Kraftausgleich zwischen Vorspannkraft und die auf den Hohlkörper wirkende
Druckkraft des Fluids zu erreichen, liegt das unter Druck stehende
Fluid vorzugsweise an einem Außenumfang
des Wellbalgs und an einem Bereich mit reduziertem Durchmesser an.
Hierdurch steht ein großer
Flächenbereich
mit dem Fluid in Kontakt.
-
Der
Hohlkörper
ist vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Federstahl hergestellt.
Dadurch ist der Hohlkörper
einfach und kostengünstig
herstellbar.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist
ein hydraulischer Durchmesser des Wellbalgs ungefähr gleich groß wie ein
Sitzdurchmesser des Ventils. Hierbei wird unter einem hydraulischen
Durchmesser des Wellbalgs ein Durchmesser verstanden, an welchem über die
gesamte axiale Länge
des Wellbalgs gesehen das unter Druck stehende Fluid angreift, um
eine Gegenkraft gegen die Vorspannkraft bereitzustellen.
-
Weiter
bevorzugt umfasst das Ventil einen in einem Ventilgehäuse angeordneten
Innenpol, wobei der Hohlkörper
im Innenpol angeordnet ist und der Innenpol wenigstens eine Zulaufbohrung
aufweist. Das unter Druck stehende Fluid wird dabei durch die Zulaufbohrung
zur Außenseite
des Hohlkörpers
und von dort weiter bis zum Ventilsitz zugeführt.
-
Vorzugsweise
ist der Wellbalg einstückig hergestellt
oder der Wellbalg umfasst eine Vielzahl von Lochscheiben sowie eine
Vielzahl von Verbindungselementen, welche zueinander benachbarte Lochscheiben
abwechselnd an deren Innenumfang und deren Außenumfang miteinander verbinden.
Die Verwendung von Lochscheiben und Verbindungselementen kann dabei
einen besonders kostengünstig herstellbaren
Wellbalg ermöglichen.
-
Der
Wellbalg umfasst gemäß einer
weiteren bevorzugten Alternative der vorliegenden Erfindung eine
Vielzahl von Ringelementen mit im Wesentlichen U-förmigem Querschnitt.
Die Ringelemente sind dabei derart miteinander verbunden, dass der U-förmige Querschnitt
abwechselnd radial nach innen und radial nach außen gerichtet ist. Dadurch
wird die Wellbalgform erreicht.
-
Das
erfindungsgemäße Ventil
ist besonders bevorzugt ein Brennstoffeinspritzventil zur Einspritzung
eines Kraftstoffs in eine Brennkraftmaschine.
-
Zeichnung
-
Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
-
1 eine
schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, und
-
2 eine
schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
-
Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 1 ein Ventil 1 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben. Das Ventil 1 ist ein
Brennstoffeinspritzventil und wird in einem Kraftfahrzeug zur Einspritzung
eines Brennstoffs verwendet. Insbesondere ist das Ventil 1 ein nach
innen öffnendes
Benzindirekteinspritzventil, welches Brennstoff direkt in einen
Brennraum einspritzt.
-
Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Ventil 1 ein
Ventilglied 2, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine Ventilkugel 2a und
eine mit der Ventilkugel 2a verbundene Ventilnadel 2b umfasst. Die
Ventilkugel 2a dichtet auf einem Ventilsitz 3 mit einem
Dichtdurchmesser D2 ab. Im Ventilsitz 3 sind mehrere Einspritzöffnungen 4 vorgesehen,
welche sich innerhalb des Dichtdurchmessers D2 befinden. Der Ventilsitz 3 ist
mittels Schweißen
an einem Ventilgehäuse 5 befestigt,
welches im Wesentlichen länglich
ausgebildet ist. An dem zur Ventilkugel 2 entgegengesetzten
Ende ist eine Ventilnadel 2b mit einem Anker 8 verbunden.
Der Anker 8 ist Teil einer Betätigungseinrichtung des Ventils,
welche zusätzlich
noch einen Innenpol 9, eine Spule 10 sowie einen außen am Ventilgehäuse 5 angeordneten
Magnettopf 17 umfasst. Das Bezugszeichen 16 kennzeichnet
einen elektrischen Anschluss der Spule 10.
-
Der
Innenpol 9 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet
und weist einen zentralen Hohlraum auf, in welchen ein Vorspannelement
angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist das Vorspannelement ein Wellbalg 7, welcher aus einem
Federstahl einstückig
hergestellt ist. Der Wellbalg 7 weist eine Vielzahl von
rillenförmigen
Einschneidungen und ringförmigen
Ausbuchtungen auf, welche jeweils abwechselnd nacheinander angeordnet
sind. Der Wellbalg 7 ist an einem Ende an einem Anschlagring 11 mittels
einer ersten Schweißnaht 12 fixiert
und an seinem anderen Ende mittels einer zweiten Schweißnaht 13 an
einem stopfenartigen Element 15. Das stopfenartige Element 15 ist
seinerseits mittels einer dritten Schweißnaht 14 am Innenpol 9 befestigt.
Der Innenpol 9 selbst ist im Ventilgehäuse 5 fixiert. Im
Innenpol 9 ist ferner eine Zuleitung 9a vorgesehen,
welche das unter Druck stehende Fluid zur Außenseite des Wellbalgs 7 führt. Ferner
sind im Anker 8 mehrere Bohrungen 8a vorgesehen,
welche das unter Druck stehende Fluid weiter in einem Druckraum 6 zuführt, welcher
um die Ventilnadel 2 herum angeordnet ist. Der Anschlagring 11 bildet
dabei beim Öffnen
des Ventils einen Anschlag für
die dem Ventilsitz 3 abgewandte Seite der Ventilnadel 2b.
-
Wie
aus 1 ersichtlich ist, weist der Wellbalg 7 in
seinem Inneren einen Hohlraum 7a auf, welcher in diesem
Ausführungsbeispiel
mit Luft gefüllt ist.
Es sei jedoch angemerkt, dass der Hohlraum 7a auch mit
einem Vakuum gefüllt
sein kann. Erfindungsgemäß wird hierbei
unter den Begriffen "Vakuum" ein Zustand verstanden,
in welchem im Hohlraum ein Unterdruck herrscht. In 1 ist
ein hydraulischer Durchmesser des Wellbalgs 7 mit dem Bezugszeichen
D1 gekennzeichnet. Erfindungsgemäß wird hierbei
unter einem hydraulischen Durchmesser D1 ein Durchmesser verstanden,
an welchem das unter Druck stehende Fluid über die gesamte axiale Länge des
Wellbalgs 7 angreift. Der Wellbalg 7 ist dabei
derart ausgelegt, dass er trotz der entgegenwirkenden Druckkraft
durch das unter Druck stehende Fluid eine Schließkraft auf das Ventilglied 2 ausüben kann.
-
Die
Funktion des erfindungsgemäßen Ventils ist
dabei wie folgt: Das unter Druck stehende Fluid wird wie durch den
Pfeil A angedeutet, über
den Zulauf 9a, an der Außenseite des Wellbalgs 7 und
durch die Bohrungen 8a im Anker 8 zum Druckraum 6 zugeführt. Dabei übt das an
der Außenseite
des Wellbalgs 7 vorbeigeführte Fluid eine Gegenkraft
gegen die Schließkraft
(Vorspannkraft) des Wellbalgs 7 aus. Dabei ist die Gegenkraft
jedoch kleiner als die Schließkraft
des Wellbalgs 7, um ein unbeabsichtigtes Öffnen des
Ventils zu vermeiden. Wenn nun das Ventil geöffnet werden soll, wird, ausgehend
von dem in 1 gezeigten geschlossenen Zustand,
die Spule 10 bestromt, wodurch der Anker 8 und
damit das Ventilglied 2 in Richtung zum Innenpol 9 bewegt
werden. Hierdurch hebt die Ventilkugel 2a vom Ventilsitz 3 ab,
so dass das unter Druck stehende Fluid aus dem Druckraum 6 durch
die Vielzahl von Einspritzöffnungen 4 beispielsweise
in einen Brennraum eingespritzt werden kann. Wenn die Einspritzung
beendet werden soll, wird die Bestromung der Spule 10 wieder
beendet, so dass der Wellbalg 7 den Anker 8 und das
Ventilglied 2 wieder in die Ausgangsposition zurückstellt.
Dann dichtet die Ventilkugel 2 wieder am Durchmesser D2
am Ventilsitz 3 ab.
-
Durch
die Ausbildung des in Axialrichtung elastischen Wellbalgs 7 als
mit Luft gefülltem
Hohlkörper
wird somit erreicht, dass durch den mittels des Fluids bereitgestellten
Druck der Wellbalg 7 in Axialrichtung X-X leicht verformt
wird. Der über
das Fluid auf den Wellbalg 7 ausgeübte Druck ist dabei derart gewählt, dass
der Wellbalg 7 trotzdem noch eine Vorspannkraft auf das
Ventilglied 2 aufbringt, um dieses im geschlossenen Zustand
zu halten. Für
das Öffnen des
Ventilglieds 2 ist es jedoch nun nicht mehr nötig, die
gesamte Vorspannkraft des Wellbalgs 7 zu überwinden,
da ein Teil hiervon schon durch das unter Druck stehende Fluid,
welches an der Außenseite des
Wellbalgs 7 anliegt, im Umfang des hydraulischen Durchmessers
D1 übernommen
wird. Somit muss lediglich die Differenz durch das Antriebsmodul,
welches in diesem Ausführungsbeispiel
ein magnetisches Antriebsmodul ist, überwunden werden. Dadurch kann
das Ventil 1 sehr kleinbauend ausgeführt werden und für den Betrieb
sind nur geringe elektrische Leistungen aufgrund der kleinen Ventilglied-Öffnungskräfte notwendig. Darüber hinaus kann
ein größerer Sitzdurchmesser
D2 zwischen dem Ventilglied 2 und dem Ventilsitz 3 gewählt werden.
Insbesondere bei hohen Fluiddrücken
war dies bisher nicht möglich,
da aufgrund des hohen Fluiddrucks bei einem großen Sitzdurchmesser die Öffnungskräfte zu groß geworden
wären,
um noch mit vertretbaren baulichen Maßnahmen ein Öffnen des Ventils
sicherzustellen. Durch die vorliegende Erfindung kann jedoch jetzt
auch ein Sitzdurchmesser am Ventilsitz 3 vergrößert werden.
-
Das
erfindungsgemäße Ventil
wird insbesondere als Brennstoffeinspritzventil in Kraftfahrzeugen verwendet.
Hierbei kommen die erfindungsgemäßen Vorteile
sehr gut zur Geltung, da üblicherweise
im Motorraum des Kraftfahrzeugs nur ein geringer Platzbedarf vorhanden
ist und ferner aufgrund der geringen elektrischen Leistungsaufnahme
die elektrische Auslegung der Einspritzinjektoren vereinfacht wird.
-
Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 2 ein Ventil 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche
Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
-
Das
zweite Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied
dazu im Hohlraum 7a des Wellbalgs 7 zusätzlich noch
ein Federelement 18 angeordnet ist. Das Federelement 18 ist
eine Druckfeder, welche eine Vorspannkraft auf das Ventilglied 2 ausübt. Dieser
Vorspannkraft des Federelements 18 wirkt die über das
Fluid auf den Wellbalg 7 ausgeübte Druckkraft am hydraulischen
Durchmesser D1 des Wellbalgs 7 entgegen, wobei sich der
Wellbalg 7 in Axialrichtung X-X abhängig vom Druck elastisch verformt.
Dabei ist die vom Wellbalg 7 ausgeübte Druckkraft kleiner als
die Vorspannkraft des Federelements 18, um ein unbeabsichtigtes Öffnen des
Ventils zu vermeiden.
-
Wie
aus 2 ersichtlich ist, stützt sich das Federelement 7 einerseits
am stopfenartigen Element 15 ab und andererseits am Anschlagring 11. Wie
im ersten Ausführungsbeispiel,
muss für
eine Betätigung
des Ventils nun nur eine geringe Öffnungskraft bereitgestellt
werden, da ein Großteil
der Schließkraft
des Federelements 18 schon durch die elastische Verformung
des Wellbalgs 7 kompensiert ist.
-
Da
die elastische Verformung des Hohlkörpers 7 u. a. vom
Druck des Fluids abhängt,
ist somit sichergestellt, dass auch bei sehr hohen Drücken eine
entsprechende Gegenkraft durch den Wellbalg 7 bereitgestellt
werden kann, so dass das Öffnen
und die zum Öffnen
notwendige Öffnungskraft
auch bei unterschiedlichen Drücken
im Wesentlichen konstant bleibt. Somit kann erfindungsgemäß sichergestellt werden,
dass nur eine Auslegung des magnetischen Betätigungsmoduls notwendig ist,
da die Anforderungen bei unterschiedlichen Drücken durch die jeweils vom
Druck abhängige
axiale Verformung des Wellbalgs 7 abhängt.
-
Ansonsten
entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so
dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.