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Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil.
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Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemission von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen zu senken.
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Entsprechend geringe Schadstoffemissionen können erreicht werden, wenn der Kraftstoff unter sehr hohem Druck zugemessen wird. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu über 2000 Bar. Derart hohe Drücke stellen hohe Anforderungen an die Konstruktion eines Einspritzventils. Gleichzeitig werden hohe Anforderungen an die Aktuatoreinheit für das Einspritzventil gestellt.
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Aus der
DE 10 2007 010 497 A1 ist ein Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen, insbesondere common rail Injektor, bekannt. Ein Rücklauf des Injektors gegenüber dem Ankerraum ist mittels eines separaten oder einstückig mit dem Ventilkolben ausgebildeten Dichtkolben abgedichtet. Es ist ein Ringelement vorgesehen, in welchem eine sich radial erstreckende Durchgangsöffnung angeordnet ist zur hydraulischen Kopplung zwischen einem innerhalb des Ringelements angeordneten Ringinnenraum und einem außerhalb des Ringelements angeordneten Ringaußenraum.
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Die
DE 10 2007 038 430 A1 zeigt ebenfalls eine Bauart eines Einspritzventils mit einem einteiligen Injektorkörper. Sie zeigt eine Einspritznadel, die durch ihre Längsbewegungen die Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung steuert und an deren brennraumnahen Ende ein nach außen öffnender Einspritzventilschließkörper vorgesehen ist. Die Kraftstoffeinspritzventileinrichtung umfasst ein Steuerventil mit einem Steuerraum, dessen Druck wenigstens mittelbar auf die Einspritzventilnadel wirkt.
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Aus der
DE 698 37 171 T2 ist ein Einspritzventil mit einem Injektorkörper mit einer Ausnehmung bekannt, in dem eine Düsennadel angeordnet ist. Das Einspritzventil weist ein Aktuatorgehäuse auf. Zwischen dem Aktuatorgehäuse und einer Stufe ist ein Ringelement angeordnet.
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Die
WO 02/053905 A1 offenbart ein Magnetventil zur Steuerung eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine mit einem Elektromagneten, einem beweglichen Anker mit Ankerplatte und Ankerbolzen und einem mit dem Anker bewegten und mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Steuerventilglied zum Öffnen und Schließen des Kraftstoffablaufkanals eines Steuerdruckraums des Einspritzventils.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil zu schaffen, das einfach und kostengünstig herstellbar ist und dessen mechanische Belastung begrenzt ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß eines ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil, das aufweist eine Injektorbaugruppe mit einem Injektorkörper, der aufweist eine sich in Richtung einer Längsachse erstreckende Ausnehmung des Injektorkörpers, die mit einem Hochdruckkreis eines Fluids hydraulisch koppelbar ist, und einer in der Ausnehmung des Injektorkörpers axial beweglich angeordneten Düsennadel, die ausgebildet ist, um in einer Schließposition einen Fluidfluss durch mindestens eine Einspritzöffnung zu verhindern und ansonsten den Fluidfluss freizugeben, eine in der Ausnehmung des Injektorkörpers angeordneten Aktuatoreinheit, die ein rohrförmiges Gehäuse aufweist, in dem ein Aktuatorelement angeordnet ist, und das rohrförmige Gehäuse an einem der Einspritzöffnung zugewandten axialen Ende eine Stirnfläche aufweist, die mechanisch mit einer in dem Injektorkörper ausgebildeten Stufe gekoppelt ist, und ein axial zwischen der Stirnfläche und der Stufe angeordnetes Ringelement. In dem Ringelement sind mindestens zwei einander gegenüberliegende, sich radial erstreckende Durchgangsöffnungen angeordnet. Die Durchgangsöffnungen sind ausgebildet zur hydraulischen Kopplung zwischen einem innerhalb des Ringelements angeordneten Ringinnenraum und einem außerhalb des Ringelements angeordneten Ringaußenraum.
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Ein derart ausgebildetes Einspritzventil hat den Vorteil, dass ein Druckausgleich zwischen dem Ringinnenraum und dem Ringaußenraum möglich ist. Die Druckverläufe in dem Ringinnenraum und dem Ringaußenraum können somit aneinander angeglichen werden. Damit kann die Dynamik des Druckverlaufs in dem Ringinnenraum und dem Ringaußenraum klein gehalten werden. Damit kann die mechanische Belastung durch Druckschwankungen in dem Einspritzventil und die Belastung von Bauteilen des Einspritzventils klein gehalten werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eine der Durchgangsöffnungen als Schlitz oder Nut in dem Ringelement ausgebildet. Derartige Durchgangsöffnungen haben den Vorteil, dass eine einfache Herstellung der Durchgangsöffnungen möglich ist. Des Weiteren kann das Ringelement mit den Durchgangsöffnungen eine hohe mechanische Stabilität aufweisen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Ringelement eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen auf, die zueinander punktsymmetrisch bezüglich der Längsachse angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass ein Druckausgleich zwischen dem Ringinnenraum und dem Ringaußenraum sehr gut möglich ist. Damit können die Druckverläufe in dem Ringinnenraum und dem Ringaußenraum unabhängig vom Azimut sehr gut aneinander angeglichen werden. Damit kann die Dynamik des Druckverlaufs insbesondere in dem Ringaußenraum klein gehalten werden, so dass die Belastung von Bauteilen des Einspritzventils klein sein kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Ringelement als Sechseck mit sechs Seiten ausgebildet. In jeder der Seiten des Sechsecks ist eine der Durchgangsöffnungen ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass das Ringelement einfach und kostengünstig herstellbar ist. Des Weiteren ist ein Druckausgleich zwischen dem Ringinnenraum und dem Ringaußenraum sehr gut möglich. Damit können die Druckverläufe in dem Ringinnenraum und dem Ringaußenraum sehr gut angeglichen werden.
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Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil, das aufweist eine Injektorbaugruppe mit einem Injektorkörper, der aufweist eine sich in Richtung einer Längsachse erstreckende Ausnehmung des Injektorkörpers, die mit einem Hochdruckkreis eines Fluids hydraulisch koppelbar ist, und einer in der Ausnehmung des Injektorkörpers axial beweglich angeordneten Düsennadel, die ausgebildet ist, um in einer Schließposition einen Fluidfluss durch mindestens eine Einspritzöffnung zu verhindern und ansonsten den Fluidfluss freizugeben, eine in der Ausnehmung des Injektorkörpers angeordneten Aktuatoreinheit, die ein rohrförmiges Gehäuse aufweist, in dem ein Aktuatorelement angeordnet ist, und das rohrförmige Gehäuse an einem der Einspritzöffnung zugewandten axialen Ende eine Stirnfläche aufweist, die mechanisch mit einer in dem Injektorkörper ausgebildeten Stufe gekoppelt ist, und ein axial zwischen der Stirnfläche und der Stufe angeordnetes Ringelement. In der Stufe ist mindestens eine sich radial erstreckende Durchgangsausnehmung angeordnet. Die Durchgangsausnehmung ist ausgebildet zur hydraulischen Kopplung zwischen einem innerhalb des Ringelements angeordneten Ringinnenraum und einem außerhalb des Ringelements angeordneten Ringaußenraum.
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Ein derart ausgebildetes Einspritzventil hat den Vorteil, dass ein Druckausgleich zwischen dem Ringinnenraum und dem Ringaußenraum möglich ist. Die Druckverläufe in dem Ringinnenraum und dem Ringaußenraum können aneinander angeglichen werden. Damit kann die Dynamik des Druckverlaufs in dem Ringinnenraum und dem Ringaußenraum klein gehalten werden. Damit kann die mechanische Belastung durch Druckschwankungen in dem Einspritzventil und die Belastung von Bauteilen des Einspritzventils klein gehalten werden. Des Weiteren kann das Ringelement ohne Durchgangsöffnungen ausgebildet sein und eine hohe mechanische Stabilität aufweisen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform gemäß des zweiten Aspekts ist in der Stufe eine Vielzahl von Durchgangsausnehmungen angeordnet, die zueinander punktsymmetrisch bezüglich der Längsachse angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass ein Druckausgleich zwischen dem Ringinnenraum und dem Ringaußenraum sehr gut möglich ist. Die Druckverläufe in dem Ringinnenraum und dem Ringaußenraum können unabhängig vom Azimut sehr gut aneinander angeglichen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gemäß des zweiten Aspekts ist mindestens eine der Durchgangsausnehmungen als Nut, als Rille, als Ringnut oder als Loch in der Stufe ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass eine einfache Herstellung der Durchgangsausnehmungen in dem Injektorkörper möglich ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gemäß des ersten und des zweiten Aspekts ist das Ringelement aus einem Drahtring mit einem Spalt ausgebildet. Der Spalt ist als Durchgangsöffnung ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass das Ringelement einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch ein Einspritzventil,
- 2 eine Detailansicht des Einspritzventils in einem Längsschnitt,
- 3 eine Detailansicht eines Ringelements des Einspritzventils in einer ersten Ausführungsform,
- 4 eine Detailansicht des Ringelements des Einspritzventils in einer weiteren Ausführungsform, und
- 5 eine Detailansicht des Ringelements des Einspritzventils in einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt ein Einspritzventil 10. Das Einspritzventil 10 hat eine Injektorbaugruppe 14 mit einem Injektorkörper 12 und eine in dem Injektorkörper 12 angeordnete Aktuatoreinheit 16.
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Die Aktuatoreinheit 16 ist als Piezoaktuator mit einem Stapel von Piezoelementen ausgebildet. Die axiale Ausdehnung der Aktuatoreinheit 16 ändert sich abhängig von der angelegten elektrischen Spannung. Die elektrische Spannung wird über eine Anschlussbuchse an die Aktuatoreinheit 16 angelegt.
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Der Injektorkörper 12 weist eine zentrale Längsachse L und eine Ausnehmung 17 auf. Der Injektorkörper 12 kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein. In der Ausnehmung 17 des Injektorkörpers 12 ist eine Düsennadel 18 angeordnet. Die Düsennadel 18 kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein.
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Die Aktuatoreinheit 16 ist mit einem Übertrager 20 gekoppelt, der ebenfalls in dem Injektorkörper 12 angeordnet ist. Die Aktuatoreinheit 16 und der Übertrager 20 bilden einen Stellantrieb für die Düsennadel 18.
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Der Injektorkörper 12 umfasst ferner einen Hochdruckanschluss, über den das Einspritzventil 10 im montierten Zustand mit einem nicht dargestellten Hochdruckkreis eines Fluids verbunden ist.
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In der Ausnehmung 17 des Injektorkörpers 12 ist ein mit dem Übertrager 20 gekoppeltes Ventil 30 angeordnet.
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Das Einspritzventil 10 umfasst weiter einen Düsenkörper 32, der mittels einer Düsenspannmutter 36 mit dem Injektorkörper 12 gekoppelt ist. An dem der Aktuatoreinheit 16 abgewandten Ende ist oder sind in dem Düsenkörper 32 eine oder mehrere Einspritzöffnungen 34 angeordnet.
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Die Düsennadel 18 hat eine dem Ventil 30 zugewandte Stirnseite 38. An seinem der Aktuatoreinheit 16 zugewandten Ende hat die Düsennadel 18 einen Düsennadelabsatz 40, der mit Fluid in Kontakt steht, das in etwa den Druck des Hochdruckkreises hat. Der Düsennadelabsatz 40 ist so ausgebildet, dass die durch den Druck des Fluids hervorgerufene Kraft öffnend auf die Düsennadel 18 wirkt.
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In dem Injektorkörper 12 ist weiter ein Hohlraum 46 ausgebildet, der eine Düsenfeder 48 aufnimmt, die sich einerseits an einem Absatz des Hohlraums 46 abstützt und andererseits die Düsennadel 18 so vorspannt, dass sie eine dieser zugeordnete Schließposition einnimmt, in der sie den Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung 34 unterbindet.
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Im Folgenden soll kurz die Funktion des Einspritzventils 10 dargestellt werden:
- Die Position der Düsennadel 18 hängt von der Bilanz der Kräfte ab, die hervorgerufen durch den Druck des Fluids auf den Düsennadelabsatz 40 und auf die Spitze der Düsennadel 18 wirken, und andererseits der Federkraft der Düsenfeder 48 und die durch den Druck des Fluids hervorgerufene Kraft, die über die Stirnseite 38 der Düsennadel 18 in der Schließrichtung der Düsennadel 18 eingeleitet wird.
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Durch Aktivieren der als Piezoaktuator ausgebildeten Aktuatoreinheit 16 dehnt sich die Aktuatoreinheit 16 aus, so dass das Ventil 30 öffnet und Fluid aus dem Raum oberhalb der Stirnseite 38 der Düsennadel 18 abfließen kann. Die Düsennadel 18 kann sich damit in Richtung auf die Aktuatoreinheit 16 hin bewegen, wodurch die mindestens eine Einspritzöffnung 34 freigegeben wird. Ist das Einspritzventil 10 als Kraftstoffeinspritzventil ausgebildet, so kann eine Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine erfolgen.
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Sobald die Einspritzung beendet werden soll, wird die Aktuatoreinheit 16 deaktiviert, wodurch die Düsennadel 18 in axialer Richtung von der Aktuatoreinheit 16 wegbewegt wird. Damit gelangt die Düsennadel 18 in eine Schließposition und der Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung 34 wird unterbunden.
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In den 1 und 2 ist die Aktuatoreinheit 16 mit einem rohrförmigen Aktuatorgehäuse 60 dargestellt. In dem Aktuatorgehäuse 60 ist der Stapel von Piezoelementen des Piezoaktuators angeordnet. Das Aktuatorgehäuse 60 ist zylinderförmig ausgebildet und erstreckt sich in Richtung der Längsachse L. Das Aktuatorgehäuse 60 weist einen Rohrmantel 62 sowie eine Bodenplatte 64 auf. Die Bodenplatte 64 ist an einem axialen Ende 65 des Rohrmantels 62 und damit des Aktuatorgehäuses 60 angeordnet. Die Bodenplatte 64 ist über eine Membran 66 flexibel mit dem Rohrmantel 62 gekoppelt. Die Bodenplatte 64 ist aus einem Metall gebildet beziehungsweise weist ein Metall auf.
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Das Aktuatorgehäuse 60 hat an dem der Einspritzöffnung 34 zugewandten axialen Ende 65 eine Stirnfläche 68, die mechanisch mit einer in dem Injektorkörper 12 ausgebildeten Stufe 70 zusammenwirkt. Dazu ist axial zwischen der Stirnfläche 68 und der Stufe 70 ein Ringelement 72 angeordnet. Das Ringelement 72 ist als ein Sechseck geformt. Das Ringelement 72 dient dazu, einen in axialer Richtung entstehenden Leerhub der Aktuatoreinheit 16 in Bezug auf den Übertrager 20, wie er während der Aktivierung der Aktuatoreinheit 16 auftritt, auf einen vorgegebenen Wert einzustellen.
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Innerhalb des Ringelements 72 ist ein Ringinnenraum 74 angeordnet. Außerhalb des Ringelements 72 ist ein Ringaußenraum 76 angeordnet. Der Ringaußenraum 76 ist gegenüber der Umgebung mittels einer O-Ring-Dichtung 77 abgedichtet.
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In dem Ringelement 72 sind mehrere sich radial erstreckende Durchgangsöffnungen 78 angeordnet. Die Durchgangsöffnungen 78 haben eine typische Breite B_1 von 0,5 mm. In den in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen ist in jeder von sechs Seiten 80 des Ringelements 72 eine der Durchgangsöffnungen 78 angeordnet. Die Anzahl der Durchgangsöffnungen 78 beträgt generell mindestens zwei und kann ansonsten beliebig groß sein. Das Ringelement 72 hat in den in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen mehrere Durchgangsöffnungen 78, die zueinander punktsymmetrisch bezüglich der Längsachse L angeordnet sind. Die Durchgangsöffnungen 78 sind als Schlitze oder Nute ausgebildet. Mittels der Durchgangsöffnungen 78 kann der innerhalb des Ringelements 72 angeordnete Ringinnenraum 74 mit dem außerhalb des Ringelements 72 angeordneten Ringaußenraum 76 hydraulisch gekoppelt werden. Mindestens zwei der Durchgangsöffnungen 78 liegen einander gegenüber, wodurch ein sicherer Druckausgleich zwischen dem Ringinnenraum 74 und dem Ringaußenraum 76 über die Durchgangsöffnungen 78 möglich ist. Die Druckverläufe in dem Ringinnenraum 74 und dem Ringaußenraum 76 können somit sehr einfach aneinander angepasst werden.
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In den in den 3, 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen ist das Ringelement 72 aus einem Drahtring gebildet. Vorzugsweise ist das Ringelement 72 aus einem Stahldraht gebildet. Der Drahtring ist so geformt, dass seine Enden einen Spalt 82 mit einer Breite B_2 in dem Ringelement 72 bilden. Der Spalt 82 ist als eine der Durchgangsöffnungen 78 zwischen dem Ringinnenraum 74 und dem Ringaußenraum 76 ausgebildet. Die Breite B_2 ist typischerweise maximal 0,4 mm.
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In der in 5 gezeigten Ausführungsform des Einspritzventils 10 ist in der Stufe 70 mindestens eine sich radial erstreckende Durchgangsausnehmung 84 angeordnet. Die Durchgangsausnehmung 84 reicht in radialer Richtung über die radiale Breite des Ringelements 72 hinaus. Mittels der Durchgangsausnehmung 84 kann der Ringinnenraum 74 mit dem Ringaußenraum 76 hydraulisch gekoppelt werden.
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In der in 5 gezeigten Ausführungsform des Einspritzventils 10 sind in der Stufe 70 mehrere Durchgangsausnehmungen 84 angeordnet, wobei jede der Durchgangsausnehmungen 84 einer der Seiten 80 des sechseckförmigen Ringelements 72 zugeordnet ist. Die Durchgangsausnehmungen 84 sind insbesondere bezüglich der Längsachse L zueinander punktsymmetrisch angeordnet sind.
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Die Durchgangsausnehmungen 84 sind insbesondere als Nute, als Rillen, als Ringnute oder als Sacklöcher in dem Injektorkörper 12 ausgebildet.
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Zwischen zwei Aktivierungsphasen der als Piezoaktuator ausgebildeten Aktuatoreinheit 16 ist der hydraulische Druck innerhalb und außerhalb des Ringelements 72 und damit auch an der O-Ring-Dichtung 77 gleich.
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Bei einem Aktivieren der als Piezoaktuator ausgebildeten Aktuatoreinheit 16 kann der Druckverlauf in dem Ringinnenraum 74 und dem Ringaußenraum 76 unterschiedlich sein. Grundsätzlich besteht der Vorteil der Durchgangsöffnungen 78 in dem Ringelement 72 beziehungsweise der Durchgangsausnehmungen 84 in dem Injektorkörper 12 darin, dass insbesondere bei einem Aktivieren der Aktuatoreinheit 16 ein sehr guter und schneller Druckausgleich zwischen dem Ringinnenraum 74 und dem Ringaußenraum 76 möglich ist. Damit können die zeitlichen Verläufe der Drücke in dem Ringinnenraum 74 und dem Ringaußenraum 76 gut aneinander angeglichen werden. Dies kann besonders gut erreicht werden, wenn die Durchgangsöffnungen 78 in dem Ringelement 72 beziehungsweise die Durchgangsausnehmungen 84 bezüglich der Längsachse L punktsymmetrisch angeordnet sind, da in diesem Fall der Druck in dem Ringaußenraum 76 unabhängig vom Azimut gut an den Druck im Ringinnenraum 74 angepasst werden kann. Es ist somöglich, die mechanische Belastung durch Druckschwankungen in dem Einspritzventil 10 und insbesondere eine Belastung von Bauteilen des Einspritzventils 10 außerhalb des Ringaußenraums 76 klein zu halten. Damit kann insbesondere auch eine mechanische Belastung der O-Ring-Dichtung 77 klein gehalten werden, so dass ein häufiger Austausch der O-Ring-Dichtung 77 vermieden werden kann. Damit können Austauschkosten vermieden werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale der beiden Aspekte der Erfindung und deren verschiedene Ausführungsbeispiele miteinander zu kombinieren, so dass auch derartige Anordnungen von der Erfindung umfasst sind.
