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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Ventil, insbesondere Einspritz- oder Dosierventile für Kraftstoffeinspritz- oder Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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.
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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 abgespritzt wird.
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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.
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Aus der
DE 101 25 943 A1 ist bereits ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper, in dem eine Bohrung ausgebildet ist, die eine Längsachse aufweist und an derem brennraumseitigen Ende ein Ventilsitz ausgebildet ist, bekannt. Im Bereich des Ventilsitzes ist wenigstens eine Einspritzöffnung angeordnet, die die Bohrung mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. In der Bohrung ist ein Ventilglied längsverschiebbar angeordnet, das mit einer Dichtfläche mit dem Ventilsitz zur Steuerung der wenigstens einen Einspritzöffnung zusammenwirkt. Zwischen der Wand der Bohrung und dem Ventilglied ist ein Druckraum ausgebildet, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Der Ventilkörper ist im Bereich des Druckraums von einer Hülse umgeben, die anisotrope Festigkeitseigenschaften aufweist, so dass der Ventilkörper weniger Verformung durch den Druck im Druckraum zeigt.
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Aus der
DE 196 18 650 A1 ist bereits ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Bohrung eines Ventilkörpers axial verschiebbar geführten kolbenförmigen Ventilglied, das mit einer Druckschulter in einen Druckraum des Ventilkörpers ragt, bekannt. In den Druckraum mündet ein schräg verlaufender Druckkanal, wobei zwischen der Bohrung und dem Druckkanal ein Wandsteg gebildet ist, dessen geringster Querschnitt in einem Zwickelbereich der Verschneidung zwischen Bohrung und druckraumnahen Ende des Druckkanals gebildet ist. Um dabei die Druckschwellfestigkeit des Wandsteges im Bereich des Zwickels zu erhöhen, weist der Wandbereich dort eine durch eine gezielte Wärmebehandlung erreichte erhöhte Druckeigenspannung auf.
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Offenbarung der Erfindung
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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 Einspritz- 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 Kraftstofftropfen werden durch die verkürzten Nadelflugphasen reduziert. Die Ventilnadel aus Faserverbundwerkstoff hat einen kleinen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten, 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.
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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.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Einspritzventils möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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.
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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 25 drückt die Ventilnadel 15 kraftschlüssig an den piezoelektrischen Aktor 14 an und presst bei nicht erregtem Aktor 14 den Ventilschließkörper 23 auf den Ventilsitz 22 auf. Am Einlass des Kraftstoffkanals 12 ist ein Kraftstoffzulauf 26 angeschlossen, so dass der gesamte Kraftstoffkanal 12 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff gefüllt 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.
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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 Faserbundwerkstoffe zeichnen sich durch geringes Gewicht aus.
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Im beschriebenen Ausführungsbeispiel sind Ventilgehäuse11, Ventilsitzträger 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.
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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.
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Das in 2 ausschnittsweise im Längsschnitt dargestellte Ausführungsbeispiel eines Einspritzventils für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung in Brennkraftmaschinen weist zur Betätigung einer hohlzylindrischen Ventilnadel 31 einen elektromagnetischen Aktor 32 auf, der in einem Ventilgehäuse 40 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 hohlzylindrischen 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 37 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 hohlzylindrischen Ventilnadel 31 ist ein kugelförmiger Ventilschließkörper 41 befestigt. Der Ventilschließkörper 41 ist aus Metall, und seine Befestigung an der Stirnseite der hohlzylindrischen 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 Ventilschließkörper 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.
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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 34 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 hohlzylindrische 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 hohlzylindrische Ventilnadel 31, aber auch Ventilsitzträger 38 und Ventilgehäuse 40, aus Faserverbundwerkstoff hergestellt, um einerseits das dynamische Verhalten des Einspritzventils durch die leichtere hohlzylindrische Ventilnadel 31 zu verbessern und andererseits Gewichtseinsparungen in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung zu erzielen.
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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.
