DE102008041544B4

DE102008041544B4 - Ventil zur Zumessung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums

Info

Publication number: DE102008041544B4
Application number: DE102008041544.8A
Authority: DE
Inventors: Uwe Liskow
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: DE102008041544A1

Abstract

Es wird ein Ventil zur Zumessung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums angegeben, das ein in drei in Strömungsrichtung des Mediums hintereinanderliegende, mediumdicht getrennte Kammern unterteiltes Ventilgehäuse (11) aufweist, von denen eine vordere Kammer (12) mit einem Mediumzulauf (15), eine hintere Kammer (14) mit einem Mediumablauf (16) in Verbindung steht und eine dazwischenliegende mittlere Kammer (13) einen Aktor (17) zur Hubbetätigung einer durch die Kammern (12, 13, 14) sich erstreckenden hohlen Ventilnadel (18) aufnimmt, die einen Mediumfluss zwischen der vorderen und der hinteren Kammer (12, 14) herstellt. Zur Vermeidung von Schaltproblemen eines solchen Ventils bei Temperaturen oberhalb 100°C und unterhalb des Gefrierpunktes ist die Trennung der vorderen und der mittleren Kammer (12, 13) und der mittleren und der hinteren Kammer (13, 14) jeweils durch eine zwischen Ventilnadel (18) und Ventilgehäuse (11) aufgespannte, elastisch verformbare Trennwand (21, 22) vorgenommen, die mit ihrem inneren Rand an der Ventilnadel (18) und mit ihrem äußeren Rand an dem Ventilgehäuse (11) mediumdicht festgelegt ist

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Ventil zur Zumessung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein bekanntes Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen ( DE 199 46 869 A1 ) besitzt einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor und eine vom Aktor betätigte, hohle Ventilnadel, die endseitig einen mit einem Dichtsitz zusammenwirkenden Ventilschließkörper trägt. Der Aktor ist in einem Aktorgehäuse eingeschlossen, das an seinen beiden Enden flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist. Die Ventilnadel tritt beidseitig aus dem Aktorgehäuse heraus und stellt eine Strömungsverbindung für den Kraftstoff zwischen einem dem Aktorgehäuse vorgeordneten, einen Kraftstoffzulauf aufweisenden Zulaufstutzen und einem dem Aktorgehäuse nachgeordneten Ventilsitzträger her, der endseitig von einem Ventilsitzkörper abgeschlossen ist. Am Ventilsitzkörper ist der eine Ventilöffnung umgebende Ventilsitz ausgebildet. Der flüssigkeitsdichte Abschluss des Aktorgehäuses ist jeweils durch eine an der Stirnseite eingeschweißte Scheibe, die eine Durchführung für die Ventilnadel besitzt, eine Hülse und ein in der Hülse einliegendes, radial gegen Ventilnadel und Hülse und axial gegen Hülse und Scheibe verspanntes, axial langgestrecktes Dichtelement vorgenommen. Der ringförmige Aktor besteht aus scheibenförmigen, piezoelektrischen oder magnetostriktiven Elementen, die mittels einer Vorspannfeder axial aufeinandergedrückt werden.
Die DE 103 28 573 A1 zeigt ein weiteres bekanntes Kraftstoffeinspritzventil mit einem Aktor, der mit einer Ventilnadel und einer endseitig mit einem Dichtsitz zusammenwirkenden Ventilschließkörper in Wirkverbindung steht. Der piezoelektrische oder magnetostriktive Aktor ist dabei durch eine Abdichtung gegen den Kraftstoff abgedichtet, wobei die Abdichtung zwei flexible Abschnitte umfasst.
Auch die DE 199 12 666 A1 zeigt ein bekanntes Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Aktor und einer vom Aktor betätigten Ventilnadel, die endseitig einen mit einem Dichtsitz zusammenwirkenden Ventilschließkörper trägt. Der Aktor ist durch eine Abdichtung gegen den Brennstoffabgedichtet, wobei die Abdichtung einen in Längsrichtung elastisch verformbaren Aktormantel umfasst.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass Schaltprobleme, die bei herkömmlichen Ventilen bei Temperaturen oberhalb 100°C und unterhalb des Gefrierpunktes auftreten, beseitigt sind. Diese Schaltprobleme resultieren daraus, dass ein erhöhter hydraulischer oder Gasdruck, wie er bei Gasventilen im Kaltstart und bei Dieseleinspritzventilen und Dosierventilen für die Abgasnachbehandlung bei hohen Temperaturen auftritt, das Öffnen des Ventils erschwert. Beim Kaltstart ist die reduzierte, elektrische Versorgungsspannung für den Aktor nicht mehr ausreichend und bei hoher Temperatur ist der Magnetfluss von elektromagnetischen Aktoren trotz voller Versorgungsspannung zu gering, um dann das Ventil sicher zu öffnen.
Bei dem erfindungsgemäßen Ventil erzeugt der in der vorderen Kammer und in der hinteren Kammer auf die elastisch verformbaren Trennwände wirkende Mediumdruck jeweils eine Verschiebekraft an der Ventilnadel, wobei die beiden Kräfte einander entgegengerichtet sind. Durch entsprechende Auslegung der Druckbeaufschlagungsflächen der beiden Trennwände lässt sich über den Mediumdruck eine gezielte Kraftwirkung auf die Ventilnadel einstellen und die bei geschlossenem Ventil auf den Ventilsitz wirkende Schließkraft reduzieren, sodass bei hohen Drücken oder geringer Magnetkraft ein sicheres Öffnen des Ventils gewährleistet ist.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist jede Trennwand als Membran oder Wellbalg ausgebildet. Beide besitzen kein Losbrechmoment und sind hermetisch dicht. Die Membran baut sehr flach und ist gegenüber einem Wellbalg einfacher herstellbar. Der Wellbalg baut gegenüber einer Membran im Durchmesser kleiner, ist allerdings höher. Der Wellbalg ist im Vergleich zur Membran druckfester und erlaubt einen großen Ventilnadelhub.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die den Aktor aufnehmende mittlere Kammer mit einem wenig kompressiblen Medium, vorzugsweise einer Flüssigkeit, gefüllt. Durch diese Maßnahme wird die Membran bzw. der Wellbalg entlastet, da bis zum Druckausgleich nur ein kleiner Hub nötig ist. Wird als Medium Öl eingesetzt, so wird einerseits die Wärmeabfuhr an das Gehäuse verbessert und eine Schmierung des Magnetankers und eine Anschlagdämpfung erreicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind in der Ölfüllung Mittel für einen thermischen Volumenausgleich in Form von geschlossenporigen Schaumkörpern oder gasgefüllten Körpern oder einer eingelagerten Gasmenge vorhanden. Dadurch wird ein Hub der Membran oder des Wellbalgs infolge Wärmeausdehnung der Ölmenge vermieden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung in schematisierter Darstellung einen Längsschnitt eines Ventils zum Zumessen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums.
Das in der Zeichnung im Längsschnitt schematisiert dargestellte Ventil zum Zumessen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums kann als Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie Diesel- oder Benzinmotoren, als Erdgaseinlassventil oder als Dosierventil zur Abgasnachbehandlung in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Entsprechend wird als Medium Dieselkraftstoff, Benzinkraftstoff, Erdgas oder Harnstoff-Wasser-Lösungen, zugemessen.
Das Ventil weist ein Ventilgehäuse 11 auf, in dem drei voneinander mediumdicht getrennte Kammern 12, 13, 14 hintereinander angeordnet sind. Von den Kammern steht eine in Strömungsrichtung des Mediums gesehen vordere Kammer 12 mit einem Mediumzulauf 15, eine hintere Kammer 14 mit einem Mediumablauf 16 in Form einer Abspritzgeometrie in Verbindung, und eine dazwischenliegende mittlere Kammer 13 nimmt einen Aktor 17 zur Hubbetätigung einer hohlen Ventilnadel 18 auf. Die Ventilnadel 18 erstreckt sich durch die drei Kammern 12 bis 14 hindurch und stellt eine Strömungsverbindung für das Medium zwischen der vorderen Kammer 12 und der hinteren Kammer 14 her. Die Ventilnadel 18 trägt an ihrem in die hintere Kammer 14 eintauchenden Ende einen Ventilschließkörper 19, der mit einem dem Mediumablauf 16 vorgeordneten Ventilsitz 20 zum Schließen und Öffnen des Ventils zusammenwirkt. Die mediumdichte Trennung zwischen der vorderen Kammer 12 und der mittleren Kammer 13 sowie der mittleren Kammer 13 und der hinteren Kammer 14 ist jeweils durch eine elastisch verformbare Trennwand 21 bzw. 22 vorgenommen. Die Trennwand 21 bzw. 22 ist mit ihrem äußeren Randbereich am Ventilgehäuse 11 und mit ihrem inneren Randbereich an der eine Hubbewegung ausführenden Ventilnadel 18 jeweils unverschieblich befestigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel des Ventils ist die elastisch verformbare Trennwand 21 bzw. 22 als Wellbalg 23 ausgebildet, der einerseits die Ventilnadel 18 dicht umschließt und andererseits mediumdicht am Ventilgehäuse 11 angebunden ist. Anstelle des Wellbalgs 23 können die Trennwände 21, 22 auch als Membran ausgeführt werden. Die Ventilnadel 18, die dem Medium ausgesetzt ist, ist aus korrosionsfestem Material z. B. aus austenetischem Stahl, hergestellt.
Wie aus der Schnittdarstellung zu erkennen ist, ist das in die beschriebenen drei Kammern 12, 13, 14 unterteilte Ventilgehäuse 11 aus einem den Mediumzulauf 15 aufweisenden Zulaufstutzen 24, einem z. B. hülsenförmigen Aktorgehäuse 25, in dem der Aktor 17 aufgenommen ist, und einem den Mediumablauf 16 mit vorgeordnetem Ventilsitz 20 aufweisenden Ventilsitzträger 26 zusammengesetzt, wobei Zulaufstutzen 24, Aktorgehäuse 25 und Ventilsitzträger 26 endseitig miteinander fest verbunden sind. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig, z. B. durch Schweißen, wie dies durch die in 1 eingezeichneten umlaufenden Schweißnähte 27 symbolisiert ist. Der rohrförmige Ventilsitzträger 26 ist an seinem freien Ende durch einen Ventilsitzkörper 28 verschlossen, in dem eine von dem Ventilsitz 20 umgebende Ventilöffnung 29 ausgebildet ist. Dem Ventilsitzkörper 28 ist mit axialem Spaltabstand eine Spritzlochscheibe 30 in Strömungsrichtung nachgeordnet, mittels der eine bei geöffnetem Ventil aus der Ventilöffnung 29 ausströmende Mediummenge sprayartig aufgefächert wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der mittleren Kammer 13 ein elektromagnetischer Aktor 17 aufgenommen. In gleicher Weise kann aber auch ein piezoelektrischer oder magnetostriktiver Aktor eingesetzt werden. Der elektromagnetische Aktor 17 weist eine auf das Aktorgehäuse 25 aufgeschobene Magnetspule 31, die über einen angedeutete Anschlussstecker 32 bestromt werden kann, einen im Inneren des Aktorgehäuses 25 axial unverschieblich festgelegten Magnetkern oder Innenpol 33 und einen im Aktorgehäuse 25 axial verschieblich geführten Magnetanker 34 auf, der axial unverschieblich auf der Ventilnadel 18 sitzt und unter Belassung eines Arbeitsluftspaltes dem Innenpol 33 axial gegenüberliegt. Der Innenpol 33 weist einen Stufenbohrung 35 auf, durch die die Ventilnadel 18 hindurchgeführt ist. Eine als Druckfeder ausgebildete Ventilschließfeder 36 liegt in dem durchmessergrößeren Bohrungsabschnitt der Stufenbohrung 35 ein und stützt sich zwischen einer im Übergang von dem durchmesserkleineren Bohrungsabschnitt in den durchmessergrößeren Bohrungsabschnitt ausgebildeten Radialschulter und dem Magnetanker 34 ab und presst bei unbestromter Magnetspule 31 über die Ventilnadel 18 den Ventilschließkörper 19 auf den Ventilsitz 20 auf. Das Ventil ist geschlossen. Der Zulaufstutzen 24 und das Aktorgehäuse 25 einschließlich der darauf sitzenden Magnetspule 31 und deren Anschlussstecker 32 sind in einer Kunststoffumspritzung 38 eingebettet.
Der als Trennwand 21 bzw. 22 eingesetzte Wellbalg 23 hat in seiner dargestellten Ausführung einen metallischen Innenring 39 und einen metallischen, ein Winkelprofil aufweisenden Außenring 40 sowie einen zwischen den beiden Ringen 39, 40 sich erstreckenden, wellenförmigen Balg 41 aus Metall oder Kunststoff. Bei den beiden Wellenbälgen 21, 22 ist der Außenring 40 jeweils an der Innenwand des Aktorgehäuses 25 befestigt, vorzugsweise stoffschlüssig, wie dies in der Zeichnung durch die beiden umlaufenden Schweißnähte 42 symbolisiert ist. Der Innenring 39 ist bei dem die Trennwand 21 bildenden Wellenbalg 23 auf das in dem Zulaufstutzen 24 hineinragende Ende der Ventilnadel 18 aufgeschoben und mit dieser mediumdicht verbunden, z. B. auf dieser verschweißt oder aufgeschrumpft. Bei dem die Trennwand 22 bildenden Wellenbalg 23 ist der Innenring 39 auf das in den Ventilsitzträger 26 hineinragende, den Ventilschließkörper 19 tragende Ende der Ventilnadel 18 aufgeschoben und mit dieser in gleicher Weise mediumdicht verbunden. Durch die beiden als Wellbälge 23 ausgestalteten Trennwände 21, 22 ist die vom Aktorgehäuse 24 begrenzte mittlere Ventilkammer 13 hermetisch vom Medium getrennt und der Aktor 17 nicht den in dem Medium enthaltenen, aggressiven Komponenten ausgesetzt.
Die mittlere Kammer 13 ist mit einem wenig kompressiblen Medium, vorzugsweise mit einer Flüssigkeit, befüllt. Vorzugsweise wird als Flüssigkeit Öl, wie z. B. Silikon- oder Fluor-Öl (Formblin) verwendet. Diese Ölfüllung dient zur Schmierung und hydraulischen Dämpfung in den Anschlagflächen von Magnetanker 34 und Innenpol 33, sowie zur Wärmeabfuhr. Vorzugsweise sind in der Ölfüllung Mittel zum thermischen Volumenausgleich eingebracht. Die Mittel können geschlossenporige Schaumkörper 43 oder gasgefüllte Körper aufweisen. Auch die Einbringung eines Gasvolumens in die Ölfüllung ist möglich.

Claims

Ventil zur Zumessung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, mit einem in drei in Strömungsrichtung des Mediums hintereinanderliegenden, mediumdicht voneinander getrennten Kammern (12, 13, 14) unterteilten Ventilgehäuse (11), von denen eine in Strömungsrichtung des Mediums vordere Kammer (12) mit einem Mediumzulauf (15) und eine hintere Kammer (14) mit einem Mediumablauf (16) in Verbindung steht und eine dazwischenliegende mittlere Kammer (13) einen Aktor (17) zur Hubbetätigung einer durch die drei Kammern (12, 13, 14) sich erstreckenden, hohlen Ventilnadel (18) aufnimmt, die unter der Kraft einer Ventilschließfeder (36) mit einem Schließkörper (19) auf einem dem Mediumablauf (16) vorgeordneten Ventilsitz (20) aufsitzt und über ihr hohles Innere eine Strömungsverbindung für das Medium zwischen der vorderen und hinteren Kammer (12, 14) herstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung der vorderen und der mittleren Kammer (12, 13) sowie der mittleren und hinteren Kammer (13, 14) jeweils durch eine zwischen Ventilnadel (18) und Ventilgehäuse (11) aufgespannte, elastisch verformbare Trennwand (21, 22) vorgenommen ist, die mit ihrem inneren Rand an der Ventilnadel (18) und mit ihrem äußeren Rand an dem Ventilgehäuse (11) jeweils mediumdicht befestigt ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (11) einen einen Mediumzulauf (15) aufweisenden Zulaufstutzen (24), ein den Aktor (17) aufnehmendes, vorzugsweise hülsenförmiges Aktorgehäuse (25) und einen den Mediumablauf (16) mit vorgeordnetem Ventilsitz (20) aufweisenden Ventilsitzträger (26) aufweist, dass Zulaufstutzen (24), Aktorgehäuse (25) und Ventilsitzträger (26) endseitig fest, vorzugsweise stoffschlüssig, miteinander verbunden sind und dass jeweils eine Trennwand (21, 22) einerseits an oder nahe den aneinandergesetzten Enden von Zulaufstutzen (24) und Aktorgehäuse (25) bzw. von Aktorgehäuse (25) und Ventilsitzträger (26) am Ventilgehäuse (11), vorzugsweise an der Innenwand des Aktorgehäuses (25), und andererseits nahe einem in den Zulaufstutzen (24) bzw. in den Ventilsitzträger (26) eintauchenden Ende der Ventilnadel (18) an der Ventilnadel (18) jeweils mediumdicht befestigt ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Trennwand (21, 22) als Membran ausgebildet ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Trennwand (21, 22) als Wellbalg (23) ausgebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle Ventilnadel (18) aus korrosionsfestem Material, vorzugsweise aus austenitischem Stahl, hergestellt ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die den Aktor (17) aufnehmende mittlere Kammer (13) mit einem wenig kompressiblen Medium, vorzugsweise einer Flüssigkeit, gefüllt ist.
Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kammerfüllung Öl eingesetzt ist.
Ventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammerfüllung Mittel für den thermischen Volumenausgleich vorhanden sind.
Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenausgleichsmittel geschlossenporige Schaumkörper (43) oder gasgefüllte Körper aufweisen.
Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenausgleichsmittel eine in der Kammerfüllung eingelagerte Gasmenge aufweisen.