-
Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Eine derartige Einspritzvorrichtung ist beispielsweise zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine oder zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges einsetzbar.
-
Stand der Technik
-
Bekannte Einspritzventile für derartige technische Anwendungen nutzen größtenteils die Umwandlung von hydraulischer Druckenergie in kinetische Energie. Dazu wird das einzuspritzende Medium unter Zuhilfenahme einer vorgeschalteten Pumpe verdichtet und über mehrere Einspritzöffnungen oder einen freigebbaren Querschnitt in das vorgesehene Volumen eingespritzt. Das Medium wird dabei als Spray eingebracht.
-
Aus der Literatur sind zudem alternative Methoden zur Sprayerzeugung bekannt, die beispielsweise Stoßwellen/Druckwellen im einzuspritzenden Medium zur Aktivierung des Injektors nutzen. Eine derartige Methode wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 102008 042 850 A1 beschrieben. Die hierzu eingesetzte Einspritzvorrichtung umfasst eine Ventilanordnung mit einem nach außen öffnenden Ventilglied, das über elastische Arme gehäuseseitig derart abgestützt ist, dass es gegen den Ventilsitz gedrückt wird. Die Arme dienen demzufolge als Schließfeder. Das Ventilglied ist zudem von dem einzuspritzenden Medium umströmt. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung eine Aktuatorvorrichtung mit einem Aktor, einem Kolben und einem Rückstellelement, wobei eine Impulsübertragungsvorrichtung in Form einer Membran die Ventilanordnung von der Aktuatorvorrichtung fluiddicht trennt. Bei Betätigung des Aktors, vorzugsweise einem Elektromagneten, wird der Kolben in Richtung der Impulsübertragungsvorrichtung beschleunigt, wobei er das ihn umgebende Medium verdichtet und als Impuls auf die Impulsübertragungsvorrichtung bzw. die Membran abgibt. Diese überträgt den Impuls auf das einzuspritzende Medium, was zur Ausbildung einer Stoßwelle führt, die sich in Richtung des Ventilsitzes ausbreitet und schließlich das Öffnen der Ventilvorrichtung bewirkt. Aufgrund des nach außen öffnenden Ventilgliedes, an welchem eine mit dem Ventilsitz zusammenwirkender Schließkegel ausgebildet ist, wird das Spray in Form eines Hohlkegels ausgetragen. Das heißt, dass die Ausbildung von Einzelstrahlen nur über eine zusätzliche Maske realisierbar ist. Zudem wird die sich im Medium ausbreitende Stoßwelle über die radial verlaufenden elastischen Arme des Ventilgliedes gedämpft bzw. reflektiert, wodurch sich die zum Öffnen des Ventilgliedes bereitgestellte Kraft reduziert. was sich negativ auf den Wirkungsgrad der Vorrichtung auswirkt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzvorrichtung der vorstehend genannten Art derart weiterzubilden, dass eine der Aktivierung der Vorrichtung dienende Stoßwelle sich im einzuspritzenden Medium weitgehend ungehindert ausbreiten und/oder verstärkt werden kann, um den Wirkungsgrad der Einspritzvorrichtung zu erhöhen. Zudem soll eine Einspritzvorrichtung angegeben werden, die möglichst einfach aufgebaut ist.
-
Die Aufgabe wird gelöst von einer Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorgeschlagene Einspritzvorrichtung umfasst ein Gehäuseteil, das einen Raum zur Aufnahme eines einzuspritzenden Mediums begrenzt, und einen Aktor, welcher zur Erzeugung einer sich im Medium ausbreitenden Stoßwelle mit einem Impulsübertragungselement zusammenwirkt. Erfindungsgemäß ist das Gehäuseteil oder ein mit dem Gehäuseteil zusammenwirkendes Schließelement beweglich gelagert und/oder zumindest teilweise elastisch verformbar ausgebildet, so dass eine sich im Medium ausbreitende Stoßwelle eine Bewegung und/oder elastische Verformung des Gehäuseteils oder des Schließelementes und damit die Freigabe oder das Öffnen wenigstens einer Einspritzöffnung bewirkt.
-
Vorzugsweise wird die wenigstens eine Einspritzöffnung durch eine Bewegung und/oder elastische Verformung des Gehäuseteils freigegeben, das hierzu beweglich gelagert und/oder zumindest teilweise elastisch verformbar ist. Ein separates Schließelement ist dann in Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung der Einspritzvorrichtung verzichtbar. Beispielsweise kann das Gehäuseteil zumindest im Bereich einer vorgesehenen Einspritzöffnung elastisch verformbar sein, wobei im entspannten Zustand des Gehäuseteils die Einspritzöffnung geschlossen ist und erst mit Auftreffen einer im Medium erzeugten Stoßwelle durch eine radiale Aufweitung des Gehäuseteils freigebbar ist. Die elastische Verformbarkeit des Gehäuseteils ist dabei derart auszulegen, dass die Einspritzöffnung erst bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzdrucks freigegeben wird. Alternativ oder ergänzend kann das Gehäuseteil auch beweglich gelagert sein, so dass der Hub des Gehäuseteils ein Öffnen oder Freigeben der wenigstens einen Einspritzöffnung bewirkt. Der Hub des Gehäuseteils wird wiederum durch die auftreffende Stoßwelle initiiert. In Schließstellung liegt das hubbewegliche Gehäuseteil vorzugsweise an einem lagefixierten Schließelement an, welcher die wenigstens eine Einspritzöffnung verschließt. Ferner kann das Gehäuseteil lagefixiert und das Schließelement elastisch verformbar sein, so dass nicht die Bewegung des Gehäuseteils, sondern die Verformung des Schließelementes das Öffnen bzw. die Freigabe der wenigstens einen Einspritzöffnung bewirkt.
-
Sämtliche vorstehend beschriebenen Konzepte beruhen darauf, dass die Einspritzung aufgrund der Erzeugung einer Stoßwelle erfolgt, welche eine Verschiebung und/oder elastische Verformung des Gehäuseteils oder eines mit dem Gehäuseteil zusammenwirkenden Schließelementes bewirkt. Zur Erzeugung der Stoßwelle wirkt die Aktorik auf ein Impulsübertragungselement ein, dessen stoßartige Bewegung zu einer Verdichtung des einzuspritzenden Mediums und damit zur Ausbildung einer Stoßwelle bzw. Druckwelle mit kleiner Wellenlänge und großer Amplitude führt. Die Realisierung der vorgeschlagenen Konzepte bedarf nur einer geringen Anzahl an Bauteilen, die zudem einfach aufgebaut sind. Ferner kann sich bei den angegebenen Konzepten die im Medium erzeugte Stoßwelle ungehindert ausbreiten, da im Raum, in welchem das Medium aufgenommen ist, – wenn überhaupt – lediglich ein Schließelement angeordnet ist. Somit erfolgt keine Dämpfung der Stoßwelle, so dass ein hoher Wirkungsgrad erzielbar ist.
-
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Einspritzöffnung im Gehäuseteil ausgebildet oder über eine zumindest teilweise elastische Verformung des Gehäuseteils ausbildbar. Das heißt, dass der Querschnitt der Einspritzöffnung bei einer elastischen Verformbarkeit des Gehäuseteils veränderbar ist und in Abhängigkeit vom jeweiligen Querschnitt eine Einspritzung zulässt oder nicht. Ein separates Schließelement ist dann entbehrlich. Da die elastische Verformung des Gehäuseteils vorzugsweise eine radiale Aufweitung im Bereich der Einspritzöffnung bewirkt, kann zur Einstellung der gewünschten Einspritzmenge das Gehäuseteil über einen außenumfangseitig angeordneten Vorspannring radial vorgespannt sein. Zur Ausbildung der Einspritzöffnung muss nicht das gesamte Gehäuseteil elastisch verformbar sein. Es genügt eine elastische Verformbarkeit im Bereich der Einspritzöffnung. Diese kann auch dadurch hergestellt sein, dass in das Gehäuseteil im Bereich der Einspritzöffnung ein separates elastisch verformbares Dichtelement, vorzugsweise aus Gummi oder Kunststoff, eingesetzt ist. Das Gehäuseteil kann dann im Übrigen formstabil ausgebildet sein.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Einspritzöffnung über eine axiale Bewegung des Gehäuseteils freigebbar, das über die Federkraft einer Schließfeder gegen ein lagefixiertes Schließelement axial vorgespannt ist. Der Hub des Gehäuseteils bewirkt somit das Öffnen bzw. das Freigeben der wenigstens einen Einspritzöffnung. Die Federkraft der Schließfeder ist dabei derart gewählt, dass sie über die Druckkraft der im Medium erzeugten Stoßwelle überwindbar ist. Vorzugsweise ist die Schließfeder als Druckfeder ausgebildet und an einem weiteren Gehäuseteil der Einspritzvorrichtung abgestützt. Das Schließelement kann die Form einer Düsennadel eines herkömmlichen Injektors besitzen. Vorzugsweise ist es zylinderförmig mit gleich bleibendem Außendurchmesser ausgebildet, um die Ausbreitung der im Medium erzeugten ringförmigen Stoßwelle so wenig wie möglich zu beeinflussen.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuseteil lagefixiert ist und das Schließelement bei Betätigung des Aktors eine elastische Verformung erfährt, über welche die wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar ist. Bei dieser Ausführungsform kann das Schließelement zugleich als Impulsübertragungselement dienen.
-
Das elastisch verformbare Schließelement ist hierzu bevorzugt hohlzylindrisch ausgebildet und besitzt einen Hohlraum, in dem der Aktor aufgenommen ist, der bei Betätigung eine stoßartige radiale Aufweitung des Schließelementes und damit die Erzeugung einer sich in radialer Richtung ausbreitenden Stoßwelle bewirkt. Zugleich erfährt das Schließelement bei einer radialen Aufweitung eine Verkürzung in axialer Richtung und gibt die wenigstens eine Einspritzöffnung frei. Vorzugsweise ist das Schließelement über die Federkraft einer Schließfeder gegenüber dem Gehäuseteil axial vorgespannt.
-
Um die sich radial ausbreitende Stoßwelle in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung umzulenken, besitzt das Gehäuseteil zur Begrenzung des Raumes, in dem das einzuspritzende Medium aufgenommen ist, sphärisch oder parabolisch geformte Wandflächen, über welche eine sich radial ausbreitende Stoßwelle reflektierbar und in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung fokussierbar ist.
-
Vorzugsweise umfasst der Aktor einen Wirbelstromaktor mit wenigstens einer Spulenanordnung. Letztere kann in Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung des Impulsübertragungselementes flächig oder ringförmig ausgebildet sein.
-
Das Impulsübertragungselement, das von dem Aktor zu einer stoßartigen Bewegung und/oder Verformung angeregt wird, kann ein Kolben oder eine Membran sein. Um mit der wenigstens einen Spulenanordnung des Aktors zusammenzuwirken, besteht das Impulsübertragungselement aus einem elektrisch leitfähigen Material. Alternativ kann auch das Schließelement als Impulsübertragungselement dienen.
-
Das Impulsübertragungselement dient weiterhin vorzugsweise der fluiddichten Trennung des Aktors von dem einzuspritzenden Medium.
-
Des Weiteren bevorzugt ist im Schließelement wenigstens eine in den Raum mündende Bohrung als Zulauf für das einzuspritzende Medium ausgebildet. Wahlweise kann der Zulauf auch über wenigstens eine Bohrung in einem weiteren Gehäuseteil der Einspritzvorrichtung sichergestellt sein.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
-
1a, b schematische Längsschnitte durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung,
-
2a, b schematische Längsschnitte durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung,
-
3a, b schematische Längsschnitte durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung,
-
4 einen vergrößerten Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung im Bereich einer Einspritzöffnung und
-
5a, b schematische Längsschnitte durch eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
Die in den 1a und 1b dargestellte Einspritzvorrichtung, wobei die 1a die Vorrichtung in Schließstellung und die 1b dieselbe Vorrichtung in Offenstellung zeigt, umfasst ein erstes Gehäuseteil 1, in dem ein Raum 2 ausgebildet ist, welcher im Betrieb der Vorrichtung mit einem einzuspritzenden Medium 3 befüllt ist. Das erste Gehäuseteil 1 ist hubbeweglich gegenüber einem weiteren Gehäuseteil 16 gelagert und mittels der Federkraft einer Schließfeder 9 gegenüber einem lagefixierten Schließelement 7 axial vorgespannt. Das Schließelement 7 ist vorliegend nadelförmig ausgebildet und verschließt eine im Gehäuseteil 1 ausgebildete Einspritzöffnung 8. Zur Aufnahme des Schließelementes 7 ist das erste Gehäuseteil 1 hülsenförmig ausgebildet und besitzt einen nach radial außen geführten Kragen 21, der als Federteller für die Schließfeder 9 dient. Der Kragen 21 begrenzt eine Öffnung des Gehäuseteils 1, in welcher ein Kolben 13 als Impulsübertragungselement 6 und ein Aktor 4, vorliegend ein Wirbelstromaktor, aufgenommen sind. Der Wirbelstromaktor 4 ist über das weitere Gehäuseteil 16 lagefixiert und dient somit zumindest mittelbar als Führung für das hubbeweglich gelagerte erste Gehäuseteil 1. Der Kolben 13 ist beweglich gegenüber dem Wirbelstromaktor 4 und dem ersten Gehäuseteil 1 gelagert und dichtet den Aktor 4 gegenüber dem einzuspritzenden Medium 3 im Gehäuseteil 1 ab. Alternativ hierzu kann der Kolben 13 auch über eine Membran, beispielsweise eine Well- oder Balgmembran, fluiddicht an das erste Gehäuseteil 1 angebunden sein (nicht dargestellt). Der Kolben 13 und der Aktor 4 weisen eine zentrale Öffnung zur Durchführung des nadelförmigen Schließelementes 7 auf, wobei der Kolben 13 wiederum der Abdichtung des Aktors 4 gegenüber dem einzuspritzenden Medium 3 dient. Alternativ kann wiederum die fluiddichte Anbindung des Kolbens 13 an das lagefixierte Schließelement 7 über eine Membran erfolgen (nicht dargestellt), die derart ausgelegt ist, dass eine Bewegung des Kolbens 13 relativ zum Schließelement 7 möglich ist. Denn bei einer Bestromung des Aktors 4 erzeugt eine Spulenanordnung 12 des Aktors 4 eine auf den Kolben 13 wirkende abstoßende Kraft, welche den Kolben 13 zu einer stoßartigen Bewegung in Richtung der Einspritzöffnung 8 antreibt. Durch die stoßartige Bewegung des Kolbens 13 wird das Medium 3 lokal verdichtet und es kommt zur Ausbildung einer Stoß- bzw. Druckwelle 5, die sich in Richtung der Einspritzöffnung 8 im Medium 3 ausbreitet. Mit Auftreffen der Stoßwelle 5 auf eine zumindest teilweise radial verlaufende Wandfläche des Gehäuseteils 1 wird dieses mit einer entgegen der Federkraft der Schließfeder 9 wirkenden Druckkraft beaufschlagt, so dass das Gehäuseteil 1 einen Hub ausführt du die Einspritzöffnung 8 freigibt (siehe 1b). Das Medium 3 wird dann als kegelförmiger Strahl über die Einspritzöffnung 8 abgegeben. Die Wiederbefüllung des Raums 2 mit einzuspritzendem Medium 3 erfolgt über wenigstens eine Bohrung 14, welche im Schließelement 7 ausgebildet ist. Diese kann über eine Bohrung 15 im weiteren Gehäuseteil 16 an einen Speicher (nicht dargestellt) angeschlossen sein. Die elektrischen Anschlüsse 18 zur Spannungsversorgung des Aktors 4 sind ebenfalls im weiteren Gehäuseteil 16 angeordnet. Das weitere Gehäuseteil 16 umfasst ferner eine Dichtung 17, welche am ersten Gehäuseteil 1 anliegt und über die Hubbewegung des ersten Gehäuseteils 1 dynamisch belastet wird.
-
Die in den 2a und 2b dargestellte alternative Ausführungsform unterscheidet sich von der der 1a und 1b im Wesentlichen dadurch, dass das erste Gehäuseteil 1 entsprechend dem Schließelement 7 über das weitere Gehäuseteil 16 lagefixiert ist. Hierdurch ist eine Dichtung 17 entbehrlich. Zum Freigeben der Einspritzöffnung 8 wird über eine auf das erste Gehäuseteil 1 auftreffende Stoßwelle 5 eine radiale Aufweitung des ersten Gehäuseteils 1 bewirkt, das hierzu elastisch verformbar ausgebildet ist (siehe 2b). Des Weiteren zeigen die 2a und 2b eine alternative Zuführung des einzuspritzenden Mediums 3, das über eine im weiteren Gehäuseteil 16 ausgebildete Bohrung 15 dem Raum 2 zugeführt wird. Alternativ kann die Zuführung des Mediums 3 aber auch über eine im Schließelement 7 ausgebildete Bohrung 14 erfolgen. Entsprechendes gilt für die Ausführungsform der 1a und 1b.
-
Eine Weiterbildung der Ausführungsform der 2a und 2b ist in den 3a und 3b dargestellt. Bei der Weiterbildung ist ein Schließelement 7 entbehrlich, so dass der Aufbau der Einspritzvorrichtung weiter vereinfacht wird. Das erste Gehäuseteil 1 ist wiederum über das weitere Gehäuseteil 16 lagefixiert und nimmt in einer vom Kragen 21 begrenzten Öffnung den Aktor 4 sowie den Kolben 13 als Impulsübertragungselement 6 auf, mittels welcher eine Stoßwelle 5 erzeugbar ist. Trifft eine solche Stoßwelle auf das erste Gehäuseteil 1 im Bereich einer Einspritzöffnung 8 auf, welche im entspannten Zustand des ersten Gehäuseteils 1 geschlossen bzw. fluiddicht ist, bewirkt die Druckkraft der Stoßwelle 5 eine radiale Aufweitung des ersten Gehäuseteils 1, so dass die Einspritzöffnung 8 öffnet (siehe 3b). Zur Einstellung der Fluidmenge ist das erste Gehäuseteil 1 von einem Vorspannring 19 umgeben, mittels welcher das erste Gehäuseteil 1 radial vorspannbar ist, so dass die Einspritzöffnung 8 mehr oder weniger weit öffnet.
-
Anstelle das erste Gehäuseteil 1 zumindest teilweise elastisch verformbar auszubilden, kann das Gehäuseteil 1 auch formstabil ausgebildet und mit einem elastisch verformbaren Dichtelement 20 zur Ausbildung einer Einspritzöffnung 8 ausgestattet sein. Die Einspritzöffnung 8 wird vorzugsweise über bewegliche Dichtlippen des Dichtelementes 20 ausgebildet, welche im weitgehend entspannten Zustand dicht schließend aneinander anliegen und bei Auftreffen einer Stoßwelle 5 eine Einspritzöffnung 8 formen (siehe 4).
-
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist den 5a und 5b zu entnehmen. Sie umfasst ein einziges formstabiles Gehäuseteil 1, in welchem ein hohlzylindrisch ausgeführtes Schließelement 7 aufgenommen ist. In einem Hohlraum 10 des Schließelementes 7 ist der Aktor 4 angeordnet, der wiederum als Wirbelstromaktor jedoch mit ringförmiger Spulenanordnung 12 ausgebildet ist, wobei die Spulenanordnung 12 in mehreren Wicklungen um einen zentralen nicht magnetischen Dorn geführt ist. Das als Hohlzylinder ausgebildete Schließelement 7 besteht aus einem elastisch verformbaren und elektrisch leitfähigem Material, so dass es bei Bestromung des Aktors 4 bzw. der Spulenanordnung 12 nach radial außen gedrängt wird. Dabei erfährt das hohlzylindrische Schließelement 7 eine radiale Aufweitung, welche aufgrund Querkontraktion dazu führt, dass sich das Schließelement 7 in axialer Richtung verkürzt und mehrere Einspritzöffnungen 8 freigibt. Die radiale Aufweitung des Schließelementes 7 führt ferner zur Ausbildung einer Stoßwelle 5, die sich in radialer Richtung im Medium 3 ausbreitet bis sie auf sphärisch oder parabolisch gebogene Wandflächen 11 des Gehäuseteils 1 trifft, dort reflektiert und auf die Einspritzöffnungen 8 fokussiert wird. Somit kann die Stoßwelle 5 durch die konkrete Ausbildung des Gehäuseteils 1 verstärkt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der Einspritzung nochmals erhöht.
-
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 102008042850 A1 [0003]
