DE102007004870A1 - Ventil zum Steuern von Fluiden, insbesondere Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

Ventil zum Steuern von Fluiden, insbesondere Brennstoffeinspritzventil Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines unter Druck stehenden Fluids, umfassend ein Ventilglied (2) zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer an einem Ventilsitz angeordneten Einspritzöffnung (4), ein mit dem Ventilglied (2) verbundenes Betätigungselement (8, 9, 10, 17) und eine Vorspanneinrichtung, um eine Vorspannung auf das Ventilglied (2) bereitzustellen, wobei die Vorspanneinrichtung einen mit Gas oder einem Vakuum gefüllten, elastischen Hohlkörper (7) umfasst, dessen Außenseite mit dem zu steuernden Fluid in Verbindung steht, um eine Gegenkraft gegen eine Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung bereitzustellen.

Description

  • 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.

Claims (11)

  1. Ventil zum Steuern eines unter Druck stehenden Fluids, umfassend ein Ventilglied (2) zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer an einem Ventilsitz angeordneten Einspritzöffnung (4), ein mit dem Ventilglied (2) verbundenes Betätigungselement (8, 9, 10, 17), und eine Vorspanneinrichtung, um eine Vorspannung auf das Ventilglied (2) bereitzustellen, wobei die Vorspanneinrichtung einen mit Gas oder einem Vakuum gefüllten, elastischen Hohlkörper (7) umfasst, dessen Außenseite mit dem zu steuernden Fluid in Verbindung steht, um eine Gegenkraft gegen eine Vorspannkraft des Vorspanneinrichtung bereitzustellen.
  2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich der Hohlkörper (7) selbst die Vorspannkraft auf das Ventilglied (2) bereitstellt.
  3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung ferner ein Federelement (18) umfasst, wobei das Federelement (18) zur Bereitstellung wenigstens eines Teils der Vorspannkraft auf das Ventilglied (2) im Hohlkörper (7) angeordnet ist.
  4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (7) ein Wellbalg ist, der im Wesentlichen rohrförmig mit wellenartigen, ringförmigen Einschnürungen und ringförmigen Ausbuchtungen ist, wobei der Wellbalg in axialer Richtung (X-X) des Ventils flexibel ist und in radialer Richtung des Ventils steif ausgebildet ist.
  5. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Magnetventil mit einem Magnetanker (8) und einer Spule (10) ist und ferner einen Anschlagring (11) umfasst, um einen Hub des Ventilglieds (2) beim Öffnen zu begrenzen, wobei der Magnetanker (8) am Ventilglied (2) und der Hohlkörper (7) am Anschlagring (11) befestigt ist.
  6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zu steuernde Fluid am Außenumfang des Hohlkörpers (7) in einem Bereich mit kleinerem Durchmesser am Anschlagring (11) ansteht.
  7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (7) aus Metall, insbesondere aus Federstahl, hergestellt ist.
  8. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydraulischer Durchmesser (D1) des Hohlkörpers (7) gleich einem Sitzdurchmesser (D2) am Ventilsitz (3) ist.
  9. Ventil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, ferner umfassend einen in einem Ventilgehäuse (5) angeordneten Innenpol (9), wobei der Hohlkörper (7) im Innenpol (9) angeordnet ist und der Innenpol (9) wenigstens eine Zulaufbohrung (9a) für das zu steuernde Fluid aufweist.
  10. Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellbalg einstückig gebildet ist oder dass der Wellbalg eine Vielzahl von Lochscheiben und Verbindungselementen umfasst, wobei benachbarte Lochscheiben mittels der Verbindungselemente abwechselnd am Innenumfang und am Außenumfang der Lochscheiben fluiddicht verbunden sind, oder dass der Wellbalg eine Vielzahl von Ringelementen mit im Wesentlichen U-förmigem Querschnitt umfasst, welche abwechselnd mit nach innen oder nach außen offenem Querschnitt zur Bildung des Wellbalgs angeordnet sind.
  11. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Brennstoffeinspritzventil ist.
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