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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung mit einer
Ventilanordnung, einer Aktuatorvorrichtung und einer Impulsübertragungsvorrichtung,
welche die Ventilanordnung von der Aktuatorvorrichtung fluiddicht
trennt, und welche einen von der Aktuatorvorrichtung erzeugten Impuls
auf das einzuspritzende Medium überträgt. Außerdem
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einspritzung eines Mediums
durch eine Einspritzvorrichtung, wobei ein von der Aktuatorvorrichtung
erzeugter Impuls über die Impulsübertragungsvorrichtung
auf das Medium und dann auf die Ventilanordnung übertragen
wird.
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Einspritzvorrichtungen
sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt.
Hierbei hat die Erzeugung eines für die Verbrennung im
Brennraum optimalen Kraftstoff-Luftgemischs, üblicherweise
als Spray bezeichnet, durch die Einspritzvorrichtung eine besondere
Wichtigkeit. Derartige Einspritzvorrichtungen sind jedoch sehr aufwendig
und insbesondere teuer, da für die Sprayaufbereitung entweder
hohe Systemdrücke zur Umwandlung von hydraulischer Druckenergie
in kinetische Energie erzeugt werden, oder bei alternativen Methoden
eine Sprayerzeugung mittels hochfrequenter Stoßwellen erfolgt.
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So
beschreibt die
DE
10 2006 026 153 A1 eine Sprayerzeugung mittels hochfrequenter
Stoßwellen, die über Piezoaktoren erzeugt werden.
Dabei befindet sich der Aktor im einzuspritzenden Medium. Auch bei
einer Stoßwellenerzeugung über eine definierte
Funkenentladung befindet sich die Stoßwellenanregung im
einzuspritzenden Medium. Hierbei wird ein Teil des einzuspritzenden
Mediums zudem extrem hohen Temperaturen ausgesetzt. Der Kontakt der
zur Stoßwellenerzeugung verwendeten Aktoren mit dem einzuspritzenden
Medium kann zu Wechselwirkungen zwischen dem Medium und den Aktoren führen,
die sowohl das einzuspritzende Medium als auch die Aktoren chemisch
oder physikalisch schädigen können. Ferner ist
die Qualität des Sprays sowohl bei den Aktoren zur Funkenentladung
als auch den Piezoaktoren hinsichtlich der Tropfengrößenverteilung
und der Geschwindigkeit der Sprayfront nicht zufriedenstellend.
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Von
daher sind die genannten Lösungen nur unzureichend geeignet,
um z. B. bei modernen Dieselmotoren eingesetzt werden zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass sie sowohl eine einfachere Geometrie und Bauform
aufweist und dementsprechend einfach und kostengünstig
hergestellt werden kann, als auch ein homogeneres und verbessertes
Spray erzeugt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass die Einspritzvorrichtung eine Impulsübertragungsvorrichtung
aufweist, die zwischen der Ventilanordnung und der Aktuatorvorrichtung
angeordnet ist und die mit dem Medium in Berührung stehende
Ventilanordnung von der Aktuatorvorrichtung fluiddicht trennt. Die
einfache Bauweise der nicht im Medium angeordneten Aktuatorvorrichtung
verhindert mögliche Wechselwirkungen zwischen Medium und
dem Aktor und ermöglicht eine optimierte Impulsübertragung
durch die Impulsübertragungsvorrichtung, was zu einem homogeneren einzuspritzenden
Spray und demzufolge zu einer verbesserten Verbrennung mit niedrigerem
Kraftstoffverbrauch und reduzierten Emissionen führt.
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Die
Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders
bevorzugt umfasst die Aktuatorvorrichtung ferner einen Übertragungsraum
der zwischen dem Kolben und der Impulsübertragungsvorrichtung
angeordnet ist. Hierdurch kann eine besonders einfache, kostengünstige
und funktionssichere Impulsübertragung auf die Impulsübertragungsvorrichtung
erreicht werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung enthält
der Übertragungsraum ein Vakuum oder ist mit Flüssigkeit
gefüllt. Auf diese Weise wird eine möglichst verlustarme und
schnelle Bewegung und Impulsübertragung vom Kolben der
Aktuatorvorrichtung realisiert.
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Vorzugsweise
umfasst die Einspritzvorrichtung eine Ventilanordnung mit einem
an einem Ventilsitz abdichtenden Ventilglied und einem Lagerelement
sowie eine Aktuatorvorrichtung mit einem Aktor, einem Kolben und
einem Rückstellelement. Die Impulsübertragngsvorrichtung überträgt
einen von der Aktuatorvorrichtung erzeugten Impuls auf das einzuspritzenden
Medium. Durch die fluiddichte Anordnung der Aktuatorvorrichtung
gegenüber der im einzuspritzenden Medium angeordneten Ventilanordnung
wird eine wechselwirkungsfreie und betriebssichere Erzeugung des
für die Einspritzung benötigten Impulses gewährleistet.
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Besonders
bevorzugt ist das Ventilglied reversibel verformbar ausgebildet
und wird durch den erzeugten Impuls verformt und vom Ventilsitz
abgehoben, um Medium einzuspritzen. Durch die gewählte
Bauform ist eine Bauteilminimierung und eine weitere Kostenersparnis
realisierbar. Ferner kann auf ein separates Rückstellelement
für das Ventilglied verzichtet werden.
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Vorzugsweise
umfasst das Ventilglied eine Vielzahl von verformbaren Armen, wodurch
eine gleichmäßige und dauerbeständige
Funktion des Ventilglieds sichergestellt wird. Die Arme können eine
reproduzierbare reversible Verformung des Ventilglieds übernehmen.
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Besonders
bevorzugt ist das Ventilglied mittels der Arme am Lagerelement gelagert.
Dies hat den Vorteil, dass eine mehrfache und gleichmäßigere Auflage
am Lagerelement erreicht wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Ventilglied genau
vier Arme, welche in Winkeln von 90° angeordnet sind. Dementsprechend
kann die Ventilöffnung über die vier Berührungspunkte
zwischen den Ventilglied und dem Lagerelement symmetrisch bzw. axial
präzis eingestellt werden. Ferner kann eine gleichmäßige
Verformung der Arme erzielt werden.
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Vorzugsweise
ist das Ventilglied ein nach außen öffnendes Ventilglied.
Dies hat den Vorteil, dass durch diese Ausbildung ein verbessertes Öffnungs-, Schließ-
und Abdichtungsverhalten realisiert werden kann.
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Besonders
bevorzugt umfasst das Ventilglied eine Kegelfläche. Diese
geometrische Ausbildung ist für die auftreffende Impulswelle
besonders vorteilhaft, um ein verbessertes Spray auszubilden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Impulsübertragungsvorrichtung eine
Membran oder einen Übertragungskolben. Die Membran hat
insbesondere den Vorteil, dass eine kostengünstige, betriebssichere
und dauerhafte Abdichtung zwischen der Ventilanordnung und der Aktuatorvorrichtung
hergestellt werden kann. Die Membran ist vorzugsweise aus Kevlar
hergestellt
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Besonders
bevorzugt ist der Aktor aus einem Elektromagnet ausgebildet, der
wesentlich einfacher und kostengünstiger als die beim Stand
der Technik verwendeten Piezoelemente ist.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einspritzung eines Mediums
durch eine Einspritzvorrichtung, die eine Ventilanordnung, welche
im einzuspritzenden Medium angeordnet ist, eine Aktuatorvorrichtung
und eine zwischen der Ventilanordnung und die Aktuatorvorrichtung
angeordnete Impulsübertragungsvorrichtung umfasst. Ein
von der Aktuatorvorrichtung erzeugter Impuls wird über
die Impulsübertragungsvorrichtung auf das Medium und dann auf
die Ventilanordnung übertragen, um eine Einspritzung von
Medium auszuführen. Dieses Verfahren ist einfach und kostengünstig
durchführbar und ermöglicht einen sehr einfachen
Aufbau der Einspritzvorrichtung. Die Impulsübertragungsvorrichtung
ermöglicht neben der Impulsübertragung gleichzeitig
auch eine fluiddichte Trennung von Aktuatorvorrichtung und Ventilanordnung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme
auf die begleitende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen
Einspritzvorrichtung im geschlossenen Zustand,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen
Einspritzvorrichtung im geöffneten Zustand, und
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3 eine
Schnittdarstellung des Ventilelements (10) entlang der
Linie III-III von 1.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine
erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 1 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung der Einspritzvorrichtung 1 im
geschlossenen Zustand, die in einem ersten Gehäuseteil 26 eine Ventilanordnung 10 mit
einem abdichtenden Ventilglied 11 und eine Lagereinrichtung 12 mit
vier Lagerelementen umfasst. Wie aus der 1 ersichtlich, ist
die Ventilanordnung 10 in einer Dosierkammer 16 im
einzuspritzenden Medium M angeordnet, das durch einen Zuführungskanal 28 zugeführt
wird.
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Das
Ventilglied 11 ist an einem Ventilsitz 13 angeordnet
und weist eine Kegelfläche 15 auf. Ferner weist
das Ventilglied ein abgerundetes hinteres Ende 11a sowie
eine Mehrzahl von Armen 14 auf, von denen in dieser Schnittdarstellung
lediglich zwei sichtbar dargestellt sind.
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Wie 3 ersichtlich,
die eine Schnittdarstellung der Ventilanordnung 10 entlang
der Linie III-III von 1 ist, weist das Ventilglied 11 bei
diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise vier Arme 14 auf,
die umfangsseitig mit Winkeln von 90° angeordnet sind.
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Die
Lagereinrichtung 12 lagert das Ventilglied 11 an
den Armen 14 und ist einstellbar ausgebildet. Die Einstellbarkeit
jedes der Lagerelemente der Lagereinrichtung 12 ermöglicht
eine Änderung der Vorspannung auf die Arme 14 im
geschlossenen Zustand des Ventilglieds 11. Dies kann sogar
zu einem Verbiegen der reversibel elastischen Arme 14 führen.
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Die
Einspritzvorrichtung 1 umfasst ferner in einem zweiten
Gehäuseteil 27 eine Aktuatorvorrichtung 20 mit
einem Aktor 21, einem Kolben 22, einem Rückstellelement 23 und
einem Übertragungsraum 25. Bei einer Betätigung
beziehungsweise Aktivierung des Aktors 21, der eine elektromagnetische Spule
ist, wird der Kolben 22, der aus einem magnetischen oder
magnetisierbaren Material hergestellter Anker ist, durch eine Wechselwirkung
mit dem Aktor 21 in Richtung eines Pfeils D bewegt. Das Rückstellelement 23 führt
den Kolben 22 bei nicht aktiviertem Aktor 21 wieder
zu seiner Ausgangsposition zurück.
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Zwischen
der Ventilanordnung 10 und der Aktuatorvorrichtung 20 ist
eine Impulsübertragungsvorrichtung 24 angeordnet,
die die Ventilanordnung 10 von der Aktuatorvorrichtung 20 durch
eine Membran 30 fluiddicht trennt und einen von der Aktuatorvorrichtung 20 erzeugten
Impuls auf das einzuspritzende Medium M überträgt,
um dadurch die Ventilanordnung 10 zu öffnen und
Medium M einzuspritzen.
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Der Übertragungsraum 25,
welcher zwischen dem Kolben 22 und der Impulsübertragungsvorrichtung 24 angeordnet
ist, ist mit einer Flüssigkeit oder einem Gas unter hohem
Druck gefüllt. Alternativ kann stattdessen auch ein Vakuum
verwendet werden. Durch Bestromen des Aktors 21 wird der
Kolben 22 in Richtung des Pfeils D in den Übertragungsraum 25 verschoben
und erzeugt einen Impuls, welcher auf die Membran 30 in
Richtung eines Pfeils E übertragen wird. Die Membran 30 wölbt
sich und überträgt den Impuls auf das einzuspritzende
Medium M. Der Impuls der Membran 30 induziert eine Stoßwelle
im einzuspritzenden Medium M.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung der im ersten Gehäuseteil 26 untergebrachten
Ventilanordnung 10 der Einspritzvorrichtung 1 im
geöffneten Zustand, bei dem eine durch die Übertragungsvorrichtung 24 in
Richtung des Pfeils E induzierte Stoßwelle auf das Ventilglied 11 einwirkt.
Durch die Impulswirkung wird das Ventilglied 11 in Richtung
eines Pfeils B verschoben, wobei sich die durch die die Lagereinrichtung 12 abgestützten
Arme 14 elastisch reversibel verformen, um die Kegelfläche 15 vom Ventilsitz 13 abzuheben
und den Austritt des Mediums M durch das nach außen öffnende
Ventilglied 11 in Richtung der Pfeile C zu bewirken. Um
eine möglichst homogene Impulswirkung auf das Ventilglied 11 zu
ermöglichen, sind die der auftreffenden Stoßwelle
zugewandten Flächen des Ventilglieds 11, nämlich
das hintere Ende 11a des Ventilglieds 11 sowie
die Unterseiten der Arme 14 vorzugsweise abgerundet oder
konisch zu laufend ausgebildet. Dadurch kann eine möglichst
verlustarme Strömung des durch den Zuführungskanal 28 eintretenden
Mediums M erreicht werden. Ferner ist das Ventilglied 11 symmetrisch
aufgebaut. Nach einem Ende der Einspritzung erfolgt über
den Zuführungskanal 28 wieder eine Befüllung
der Dosierkammer 16.
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Die
Funktion der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel ist dabei
wie folgt. Die Spule des Aktors 21 wird für einen
Einspritzvorgang aktiviert und verschiebt bzw. beschleunigt den
Kolben 22 mit hoher Geschwindigkeit in Richtung des Pfeils
D in den Übertragungsraum 25. Der Übertragungsraum 25 ermöglicht
eine verlustarme und schnelle Verschiebung des Kolbens 22.
Der Kolben 22 erreicht dabei eine Geschwindigkeit von über
100 m/s. Der Kolben 22 kann die Membran verformen oder
die Verschiebung des Kolbens 22 induziert das Medium im Übertragungsraum 25 einen
Impuls auf die Membran 30 der Impulsübertragungsvorrichtung 24,
die die Ventilanordnung 10 und die Aktuatorvorrichtung 20 fluiddicht
trennt. Aufgrund des erzeugten Impulses verformt bzw. wölbt
sich die vorzugsweise aus Kevlar ausgebildete Membran 30 schlagartig
in Richtung eines Pfeils E und überträgt eine
Stosswelle auf das lediglich in der Ventilanordnung 10 befindliche
Medium M. Die durch das Medium M fortschreitende Stosswelle trifft
dabei mit Überschallgeschwindigkeit auf die der Impulsrichtung
zugewandten Oberflächen, nämlich das hintere Ende 11a,
die Unterseiten der Arme 14 und die Kegelfläche 15 des
Ventilglieds 11, und öffnet durch die darauf resultierende
Krafteinwirkung das Ventilglied 11 nach außen.
Dabei werden die vier elastischen Arme 14 des Ventilglieds
reversibel verformt. Die Größenordnung der öffnenden
Kraft kann aus der effektiv wirksamen Kegelfläche 15 (in
der Ebene der Stosswelle) und dem maximalen Druck der Stosswelle
bestimmt werden. Zwischen der Kegelfläche 15 des
Ventilelements 11 und dem Ventilsitz 13 wird bei
der Einspritzung ein Ringsspalt freigegeben, der eine verbesserte
bzw. optimierte Sprayerzeugung begünstigt. Nachdem die
Stosswelle das Ventilglied 11 angehoben hat, sorgt der
dem Überdruck der Stosswelle folgende Bereich des Unterdrucks
hinter der Stosswelle für ein rasches Schließen
des Ventilglieds 11, wobei auch die vom Lagerelement 12 gelagerten
Arme 14 des Ventilglieds 11 wieder entlastet bzw.
elastisch reversibel rückverformt werden. Für
den nächsten Einspritzimpuls nimmt die Membran 30 aufgrund
ihrer Materialeigenschaften wieder ihre Ausgangsform ein und der
Kolben 22 wird durch das Rückstellelement 23 wieder
auf seine Ausgangsposition zurückgeführt, nachdem
die Bestromung der Spule beendet wurde. Die eingespritzte Menge
von Medium M wird dann über den Zuführungskanal 28 ersetzt.
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Die
erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 1 weist
infolge der durch die Impulsübertragungsvorrichtung 24 mit
der Membran 30 flüssigkeitsdicht voneinander getrennten
Baugruppen (Ventilanordnung und Aktuatorvorrichtung) eine sehr einfache
Geometrie und Bauform auf, die eine kostengünstige Herstellung
ermöglicht. Durch die vom einzuspritzenden Medium abgedichtete
Aktuatorvorrichtung 20 werden Wechselwirkungen zwischen
dieser und dem einzuspritzenden Medium vermieden, die bei den Vorrichtungen
des Standes der Technik auftreten können. Infolge dieser
Auslegung kann die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 1 einen
steuerbaren Elektromagneten und einen beschleunigten Anker (Kolben 22)
in der Aktuatorvorrichtung 20 verwenden und den Kolben 22 im Übertragungsraum 25 auf
die hohe Endgeschwindigkeit von über 100 m/s beschleunigen,
um einen ausreichenden Impuls auf die Membran 30 zu induzieren.
Bei der Ventilanordnung 10 der erfindungsgemäßen
Einspritzvorrichtung ist ferner eine präzise und teure
Abdichtung zwischen dem Ventilsitz 13 und der Kegelfläche 15 des
Ventilglieds 11 nicht erforderlich. Die reversibel elastisch
verformbaren Arme 14 dienen als definierte Federelemente, sodass
die Ventilanordnung 10 ohne zusätzliche Rückstellelmente
auskommt. Zur Dosierung der Einspritzmenge kann das Lagerelement 12 stufenlos eingestellt
werden. Hierbei können zwei unterschiedliche Strategien
gefahren werden. Bei der passiven Strategie wird das Lagerelement 14 auf
eine konstante Schließkraft eingestellt, wobei bei längerem
Betrieb jedoch eine plastische Verformung der Arme 14 und
eine Reduzierung der Schließkraft auftreten kann. Bei der
aktiven Strategie kann das Lagerelement 12, z. B. durch
Piezoelemente, bei jeder Einspritzung individuell betätigt
werden. Dadurch können z. B. Langzeiteffekte reguliert
bzw. ausgeglichen werden, sowie die Einspritzmenge durch eine Regelung
der Schließkraft eingestellt werden. Diese Strategie kann
sowohl getrennt und in Kombination mit der Bestromungsdauer oder
Bestromungshöhe des Aktors 21 der Aktuatorvorrichtung 20 angewendet werden.
Dadurch kann eine Regulierung der Einspritzmenge, Einspritzdauer
und Optimierung der Sprayeigenschaften erreicht werden, was reduzierte Abgasemissionen
und einen geringeren Kraftstoffverbrauch zur Folge hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006026153
A1 [0003]