-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einem Ventil, insbesondere Einspritz- oder
Dosierventile für Kraftstoffeinspritz- oder Abgasanlagen
von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Ein
bekanntes, nach außen öffnendes Brennstoff- oder
Kraftstoffventil (
DE
10 2004 015 622 A1 ) weist einen piezoelektrischen oder
magnetostriktiven Aktor auf, der koaxial zur Ventilnadel im Ventilgehäuse
angeordnet und gegenüber dem Kraftstoff gekapselt ist.
Die endseitig einen Ventilschließkörper tragende,
stangenförmige Ventilnadel ist mittels einer an der Ventilnadel
angreifenden Ventilschließfeder unter Zwischenlage eines
hydraulischen Kopplers kraftschlüssig an den Aktor angelegt.
Die Ventilnadel ist in einem hohlen Ventilsitzträger axial
verschieblich geführt, an dessen Ende ein mit dem Ventilschließkörper
zusammenwirkender Ventilsitz ausgebildet ist. Bei Bestromung des
Aktors längt sich dieser und hebt durch Verschieben der
Ventilnadel gegen die Kraft der Ventilschließfeder den
Ventilschließkörper vom Ventilsitz ab, wodurch
ein mehr oder weniger großer Querschnitt zum Abspritzen
des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs freigegeben wird.
-
Ein
bekanntes, nach innen öffnendes Brennstoff- oder Kraftstoffeinspritzventil
(
DE 199 32 763 A1 )
weist einen elektromagnetischen Aktor auf, der einen Magnetkern,
eine den Magnetkern umschließende Magnetspule, einen die
Magnetspule überdeckenden, magnetischen Rückschluss,
der von dem ferromagnetischen Ventilgehäuse gebildet wird,
und einen Anker umfasst, der auf einer stangenförmigen Ventilnadel
sitzt und mit dieser durch Schweißen fest verbunden ist.
In das ferromagnetische Gehäuse ist ein die Ventilnadel
aufnehmender Ventilsitzträger eingesetzt und mit dem Gehäuse
verschweißt. Das gehäuseferne Ende des hohlen
Ventilsitzträgers ist mit einem Ventilsitzkörper
verschlossen, der ebenfalls mit dem Ventilsitzträger verschweißt
ist. Im Ventilsitzkörper ist eine in Strömungsrichtung
sich kegelstumpfförmig verjüngende Ventilsitzfläche
und eine von dieser ausgehende, durch den Ventilsitzkörper sich
erstreckende Austrittsöffnung für den Kraftstoff ausgebildet.
Die Ventilnadel ist mit einer am stromabwärtigen Ende ausgebildeten
Schließfläche durch eine Ventilschließfeder
auf die Ventilsitzfläche gedrückt, sodass die
Austrittsöffnung verschlossen ist. Durch Bestromung der
Magnetspule wird der Anker unter Verringerung des zwischen Anker
und Magnetkern vorhandenen Arbeitsluftspaltes zum Magnetkern hin
bewegt, wodurch die Ventilnadel gegen die Kraft der Ventilschließfeder
von der Ventilsitzfläche abhebt und der unter Hochdruck
stehende Kraftstoff über die Austrittsöffnung
abgespritz wird.
-
Bei
einem ebenfalls bekannten, nach außen öffnenden
Einspritzventil für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
in Brennkraftmaschinen ist ebenfalls ein elektromagnetischer Aktor
zur Betätigung der Ventilnadel vorhanden (
DE 195 03 224 A1 ). Die
hülsenförmige Ventilnadel besteht aus Kunststoff,
insbesondere aus einem Kunststoff mit geringer Wärmeausdehnung,
und ist an den Anker des Elektromagneten angespritzt. An dem vom
Anker abgekehrten Ende der Ventilnadel ist eine kalottenförmige
Ausnehmung angeformt, in die eine als Ventilschließkörper
fungierende Ventilkugel eingeschnappt oder eingeclipst ist. Die Ventilkugel
ist aus Stahl oder Keramik oder aus Kunststoff hergestellt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Einspritzventil mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch Einsatz von Faserverbundwerkstoff
für ausgewählte Ventilkomponenten das Geräuschverhalten
des Ventils im Sinne einer Geräuschreduzierung gezielt
beeinflusst werden kann. Dabei werden diejenigen Ventilkomponenten
ausgewählt, die am stärksten zur Geräuscherzeugung
beitragen. Faserverbundwerkstoff hat einen größeren
E-Modul als Stahl und kann in seiner Dichte, die deutlich kleiner ist
als Stahl, eingestellt werden. Dadurch kann die Schallgeschwindigkeit
und die Schalldämpfung in der Ventilkomponente gegenüber
einem metallischen Werkstoff im Sinne einer verminderten Geräuschabstrahlung
beeinflusst werden. Durch den hohen E-Modul des Faserverbundwerkstoffs
besitzt die Ventilkomponente unter Druck eine nur geringe Verformungsneigung,
was gerade bei Hochdruckanwendung in Kraftstoffeinspritzanlagen
von Brennkraftmaschinen von Vorteil ist, wo Drücke zwischen
200 und 2000 bar auftreten. Werden mehrere Ventilkomponenten aus
Faserverbundwerkstoff hergestellt, so führt dies infolge
der geringen Dichte des Faserverbundwerkstoffs von ca. 1,8 bis 2,2
g/cm2 zusätzlich zu einer deutlichen
Verringerung des Gewichts des Ventils. Eine Ventilnadel aus Faserverbundwerkstoff führt
zu einer deutlichen Verbesserung der dynamischen Eigenschaften des
Einspitz- oder Dosierventils und zu einer genaueren Dosierung des
zugemessenen Fluid- oder Gasvolumens. Die Ventilnadel aus Faserverbundwerkstoff
ist deutlich leichter als eine stählerne Ventilnadel, sodass
bei Antrieb der Ventilnadel mit einem gleich leistungsstarken Aktor
der Ventilöffnungsvorgang in deutlich kurzer Zeit durchgeführt
wird. Dadurch werden Mehrfacheinspritzungen mit kurzen Pausenzeiten
möglich und bei Kraftstoffeinspritzventilen kann die Gemischverteilung
genauer gesteuert und flexibler dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
angepasst werden, was wiederum eine bessere Kraftstoffverbrennung
mit sich bringt. Durch einen geringen Einspritzdruck entstehende
große Kraftstoffpropfen werden durch die verkürzten
Nadelflugphasen reduziert. Die Ventilnadel aus Faserverbundwerkstoff
hat einen kleinen thermischen Wärmeausdehungskoeffizienten,
der um zwei Größenordnungen geringer ist als der
einer Ventilnadel aus Stahl, sodass die Ventilnadel sich bei Betriebstemperatur
deutlich weniger ausdehnt. Eine stark reduzierte Ausdehnung der
Ventilnadel führt im Fahrzyklus zu einer deutlich geringeren
Spreizung der eingespritzten Kraftstoffmenge als Funktion der Temperatur.
Da die eingespritzte Kraftstoffmenge damit wesentlich weniger abhängig
von der Temperatur des Ventils ist, kann die Kraftstoffmenge genauer
dosiert werden.
-
Eine
Ventilschließfeder aus Faserverbundwerkstoff ist deutlich
leichter als eine Ventilschließfeder aus Federstahl. Da
beim Schließen des Ventils der Schwerpunkt der Ventilschließfeder
einen halben Hub der Ventilnadel zurücklegt, ist auch durch
die leichtere Ventilschließfeder die Dynamik des Ventilschließvorgangs
erhöht. Im Ventilsitzbereich kann die Ventilnadel aus Faserverbundwerkstoff
mit einem metallischen oder keramischen Ventilschließkörper ausgeführt
werden, wobei die Verbindung zwischen Ventilnadel und Ventilschließkörper
innen oder außen an der Ventilnadel durch Kleben oder Formschluss,
z. B. Schrauben, Schrumpfen und dgl., erfolgt.
-
Durch
die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Einspritzventils möglich.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen jeweils in schematisierter Darstellung:
-
1 einen
Längsschnitt eines nach außen öffnenden
Einspritzventils mit piezoelektrischem Aktor,
-
2 ausschnittweise
einen Längsschnitt eines nach innen öffnenden
Einspritzventils mit elektromagnetischem Aktor.
-
Das
in 1 als Ausführungsbeispiel für
ein allgemeines Ventil dargestellte Einspritzventil für
eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung in Brennkraftmaschinen weist
ein Ventilgehäuse 11 auf, in dem ein zentraler
Kraftstoffkanal 12 mit abschnittsweise unterschiedlichen
Innendurchmessern über die gesamte Länge des Ventilgehäuses 11 ausgebildet
ist. In dem Kraftstoffkanal 12, und damit unmittelbar vom
Kraftstoff umströmt, ist eine Einheit für den
hydraulischen Spielausgleich 13, ein piezoelektrischer
Aktor 14, der auch ein magnetostriktiver Aktor sein kann,
und eine von dem piezoelektrischen Aktor 14 angetriebene, nach
außen öffnende Ventilnadel 15 angeordnet.
Die Ventilnadel 15 taucht in einen hohlen Ventilsitzträger 16 ein,
der mittels einer auf den Endabschnitt des Ventilgehäuses 11 aufgeschobenen
Verbindungskappe 17 am Ventilgehäuseende befestigt
ist. Die Ventilnadel 15 weist zwei voneinander axial beabstandete
Führungsabschnitte 18, 19 auf. Mittels
der Führungsabschnitte 18, 19 ist die
Ventilnadel 15 in dem Ventilsitzträger 16 axial
verschieblich geführt. Am gehäusefernen Ende des
Ventilsitzträgers 16 ist ein Ventilsitzkörper 20 befestigt.
Am Ventilsitzkörper 20 ist ein eine Ventilöffnung 21 umschließender
Ventilsitz 22 ausgebildet, der mit einem am Ende der Ventilnadel 15 einstückige
angeformten oder angesetzten Ventilschließkörper 23 zusammenwirkt.
An dem vom Ventilschließkörper 23 abgekehrten
Ende der Ventilnadel 15 ist ein Bund 24 angeformt,
und auf die Ventilnadel 15 ist eine Ventilschließfeder 25 aus Federstahl
aufgeschoben, die sich einerseits an der Stirnseite des Ventilsitzträgers 16 und
andererseits am Bund 24 abstützt. Die Ventilschließfeder 16 drückt
die Ventilnadel 15 kraftschlüssig an den piezoelektrischen
Aktor 14 an und presst bei nicht erregtem Aktor 14 den
Ventilschließkörper 20 auf den Ventilsitz 22 auf.
Am Einlass des Kraftstoffkanals 12 ein Kraftstoffzulauf 26 angeschlossen,
so dass der gesamte Kraftstoffkanal 12 mit unter Hochdruck
stehendem Kraftstoff gefällt ist. Wird der elektrische
Aktor 14 erregt, so längt sich dieser um einen
von der Bestromung abhängigen Betrag, wodurch die Ventilnadel 15 verschoben
wird und der Ventilschließkörper 23 vom
Ventilsitz 22 abhebt. Zum Ausströmen des unter
Hochdruck stehenden Kraftstoffs ist ein bestimmter Querschnitt mit
der Ventilöffnung 21 freigegeben.
-
Mindestens
eine der Ventilkomponenten Ventilgehäuse 11, Ventilsitzträger 16,
Ventilnadel 15, Ventilschließfeder 25 ist
aus Faserverbundwerkstoff hergestellt. Ein Faserverbundwerkstoff
ist ein Mehrphasen- oder Mischwerkstoff aus im allgemeinen zwei
Hauptkomponenten, einer bettenden Matrix und verstärkenden
Fasern. Zu ihnen gehören auch keramische Faserverbundwerkstoffe,
sog. Ceramic Matrix Composit, die hochtemperaturfest und elektrisch isolierend
sind und hohen Risswiderstand aufweisen. Alle Fasererbundwerkstoffe
zeichnen sich durch geringes Gewicht aus. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel
sind Ventilgehäuse 11, Ventilträger 16 und Ventilnadel 15 aus
Faserverbundwerkstoff. Bei der stangenförmigen Ventilnadel 15 aus
Faserverbundwerkstoff wird für einen präzisen
Dichtsitz ein metallischer Ventilschließkörper 23 verwendet,
der an die Ventilnadel 15 durch Kleben oder Formschluss
z. B. Schrumpfen, befestigt ist. Auch Ventilsitzträger 16 mit
Ventilsitzkörper 20 sind in sog. Hybrid-Bauweise ausgeführt,
wobei der Ventilsitzträger 16 aus Faserverbundwerkstoff
und der Ventilsitzkörper 20 aus Metall hergestellt
ist. Der Ventilsitzkörper 20 wird durch Kleben
oder durch Formschluss, z. B. Schrumpfen, am Ventilsitzträger 16 befestigt.
Zur Verschleißreduktion ist die Ventilnadel 15 mindestens
auf den Führungsabschnitten 18, 19 beschichtet,
z. B. mit einem Diamantüberzug.
-
Das
Ventilgehäuse 11 aus Faserverbundwerkstoff ist
leichtgewichtig und thermisch und mechanisch hoch belastbar ist,
so dass es bei der hohen Druck- und Temperaturbelastung sich nicht
verformt. Die den Ventilsitzträger 16 am Ventilgehäuse 11 befestigende
Verbindungskappe 17 kann aus Metall oder ebenfalls aus
Faserverbundwerkstoff hergestellt sein. Die Verbindungskappe 17 übergreift
eine am Ventilsitzträger 16 ausgebildete Ringschulter
und ist endseitig auf das Ventilgehäuse 11 aufgeschoben und
mit diesem durch Schrumpfen oder Kleben fest verbunden.
-
Das
in 2 ausschnittsweise im Längsschnitt dargestellte
Ausführungsbeispiel eines Einspritzventils für
eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung in Brennkraftmaschinen weist
zur Betätigung einer Ventilnadel 31 einen elektromagnetischen
Aktor 32 auf, der in einem Ventilgehäuse 33 mit
hier nicht dargestelltem Kraftstoffzulauf angeordnet ist. Der elektromagnetische
Aktor 32 umfasst einen hohlzylindrischen Magnetkern 33,
der mit dem Kraftstoffzulauf in Verbindung steht, eine den Magnetkern 33 umschließende
Magnetspule 34, einen Anker 35 der fest mit der
Ventilnadel 31 verbunden ist und einen magnetischen Rückschluss,
bestehend aus einem ferromagnetischem Joch 36 und einem
Zwischenstück 37. An die ringförmige
Unterseite des Zwischenstücks 34 schließt
sich ein Ventilsitzträger 38 an, der am freien Ende
mit einem Ventilsitzkörper 39 verschlossen ist. Der
elektromagnetische Aktor 32 und der Ventilsitzträger 38 sind
in einem Ventilgehäuse 40 aus Faserverbundwerkstoff
aufgenommen, wobei eine feste Verbindung zwischen dem Ventilsitzträger 38 und dem
Ventilgehäuse 40 durch Kleben hergestellt ist. Der
Anker 35 ist axial verschieblich im Zwischenstück 37 und
im Ventilsitzträger 38 geführt. Er taucht
endseitig in die hohlzylindrische Ventilnadel 31 ein, die ebenfalls
aus Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Die Befestigung von Ventilnadel 31 und
ferromagnetischem Anker 35 erfolgt durch Kleben oder Formschluß.
Am vom Anker 35 abgekehrten Ende der Ventilnadel 31 ist
ein kugelförmiger Ventilschließkopf 41 befestigt.
Der Ventilschließkopf 41 ist aus Metall, und seine
Befestigung an der Stirnseite der Ventilnadel 31 erfolgt
wiederum durch Kleben oder Formschluß. Im Ventilsitzkörper 39 ist
eine Ventilöffnung 42 und ein die Ventilöffnung 42 umgebender
Ventilsitz 43 ausgebildet, mit dem der Ventilschließkopf 41 zum
Schließen und Freigeben der Ventilöffnung 42 zusammenwirkt.
An der Stirnseite des aus Metall bestehenden Ventilsitzkörpers 39 ist
eine Spritzlochscheibe 44 aus Kunststoff angeordnet.
-
Das
nach innen öffnendes Einspritzventil wird durch eine Ventilschließfeder 45 im
geschlossenen Zustand gehalten. Die hier aus Faserverbundwerkstoff
bestehende Ventilschließfeder 45 ist im hohlen
Inneren des Magnetkerns 33 angeordnet und stützt
sich einerseits am Magnetkern 33 und andererseits am Anker 35 ab
und presst dadurch den Ventilschließkörper 41 auf
den Ventilsitz 43 auf. Durch Bestromung der Magnetspule 43 wird
der Anker 35 gegen die Stirnseite des Magnetkerns 33 verschoben, wobei
sich der zwischen Anker 35 und Magnetkern 33 bestehende
Arbeitsluftspalt mehr oder weniger verringert. Diese Hubbewegung
des Ankers 35 führt über die Ventilnadel 31 zu
einem Abheben des Ventilschließkörpers 41 vom
Ventilsitz 43, so dass eine dosierte Kraftstoffmenge von
dem im Inneren des Ventilsitzträgers 38 unter
Hochdruck stehenden Kraftstoff über die Ventilöffnung 42 und
die Spritzlochscheibe 44 abgespritzt wird. Auch bei diesem Einspritzventil
sind thermisch und mechanisch hochbelastete Komponenten, wie insbesondere
die Ventilnadel 31, aber auch Ventilsitzträger 38 und
Ventilgehäuse 40, aus Faserverbundwerkstoff hergestellt,
um einerseits das dynamische Verhalten des Einspritzventils durch
die leichtere Ventilnadel 31 zu verbessern und andererseits
Gewichtseinsparungen in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung zu erzielen.
-
Der
Einsatz von Faserverbundwerkstoffen auf Ventilkomponenten ist nicht
auf die beschriebenen Einspritzventile für flüssige
oder gasförmige Kraftstoffe beschränkt. Er kann
in allen Ventilen, die im Betrieb hohen Drücken und Temperaturen
ausgesetzt sind, erfolgen, so auch in Dosierventilen, wie sie z.
B. in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen zum Zumessen von Harnstoff
zu finden sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004015622
A1 [0002]
- - DE 19932763 A1 [0003]
- - DE 19503224 A1 [0004]