DE102014207378B4 - Injection valve device for a high pressure system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzventilvorrichtung (100) für ein Hochdrucksystem, wobei die Einspritzventilvorrichtung (100) aufweist: einen Injektorkörper (10); ein Piezoelement (20); eine Membran (30); und eine mit dem Piezoelement (20) gekoppelte Bodenplatte (40), welche einen Kontaktbereich mit der Membran (30) ausbildet und welche mindestens eine Ausnehmung (41) aufweist, welche derart ausgebildet ist, dass im Betrieb Partikel aus dem Kontaktbereich heraus befördert werden.The present invention relates to an injection valve device (100) for a high pressure system, the injection valve device (100) comprising: an injector body (10); a piezoelectric element (20); a membrane (30); and a bottom plate (40) coupled to the piezoelectric element (20), which forms a contact region with the membrane (30) and which has at least one recess (41) which is designed such that particles are conveyed out of the contact region during operation.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzventilvorrichtung für ein Hochdrucksystem.The present invention relates to an injection valve device for a high-pressure system.
Ein Einspritzventil ist aus der
Das dort beschriebene Kraftstoff-Einspritzsystem wird von einem Injektor mit einem elektrisch angesteuerten Aktor angetrieben. Um ausreichend schnelle Schaltzeiten zu erzielen, hat sich vor allem der Einsatz piezoelektrischer Aktoren als vorteilhaft erwiesen.The fuel injection system described therein is driven by an injector with an electrically controlled actuator. In order to achieve sufficiently fast switching times, the use of piezoelectric actuators has proven to be advantageous.
Diese Antriebe werden entweder als separate Antriebseinheiten auf den Injektor geflanscht, oder aber in den sogenannten inline-Injektoren direkt im Injektor eingebaut. Bei beiden Konzepten ist es nötig, den Antrieb gegen den anfallenden Kraftstoff, Leckage oder Hochdruck, abzudichten, um eine Beschädigung des Piezostacks bzw. seiner elektrisch isolierenden Umhüllung zu vermeiden.These drives are flanged either as separate drive units on the injector, or installed in the so-called inline injectors directly in the injector. In both concepts, it is necessary to seal the drive against the accumulating fuel, leakage or high pressure, in order to avoid damage to the piezo stack or its electrically insulating sheath.
Ferner bekannt ist die Abdichtung des Aktors mittels eines in Richtung der Längsdehnung des Aktors angeordneten Faltenbalges. Diese Anordnung ist jedoch platzaufwendig und führt zu einer Verringerung des Aktorhubs. Statt Faltenbalg wird deshalb zunehmend eine Dichtmembran eingesetzt, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Gehäuses bzw. Aktors angeordnet und seitlich im Ventilgehäuse befestigt ist.Also known is the sealing of the actuator by means of a bellows arranged in the direction of the longitudinal expansion of the actuator. However, this arrangement is space consuming and leads to a reduction in Aktorhubs. Instead bellows therefore increasingly a sealing membrane is used, which is arranged substantially perpendicular to the longitudinal direction of the housing or actuator and laterally mounted in the valve housing.
Die
Die
Dabei wird der Piezo in einen sogenannten Injektorkörper bzw. Antriebsgehäuse eingeschweißt und mittels einer dünnen metallischen Membran, die zwischen dem Gehäuse und dem Piezo eingeschweißt wird, gegen das hydraulische System abgedichtet. Da diese Membran durch den Piezohub bewegt wird und gleichzeitig nur sehr wenig Kraft auf den Piezo ausüben darf, wird die Membran dünn und flexibel ausgeführt.In this case, the piezo is welded into a so-called injector body or drive housing and sealed by a thin metallic membrane which is welded between the housing and the piezo, against the hydraulic system. Since this membrane is moved by the Piezohub and at the same time may exert only very little force on the piezo, the membrane is made thin and flexible.
Da durch die Betätigung des Aktors eine Druckwelle ausgelost wird, die auch auf die Membran wirkt, muss diese also abgestützt werden, um nicht über den induzierten Druck beschädigt zu werden.Since the actuation of the actuator triggers a pressure wave, which also acts on the membrane, it must therefore be supported so as not to be damaged by the induced pressure.
Diese Abstützung übernimmt die sogenannte Bodenplatte, die fest mit dem Piezo verbunden ist und die den Hub und die Kraft auf das mechanisch-hydraulische System überträgt.This support takes over the so-called bottom plate, which is firmly connected to the piezo and transmits the stroke and the force to the mechanical-hydraulic system.
Diese Bodenplatte steht mit der Membran in Kontakt. Diese Kontaktfläche verändert sich über den Aktorhub, die Membran rollt auf der Bodenplatte ab.This bottom plate is in contact with the membrane. This contact surface changes over the Aktorhub, the membrane rolls off on the bottom plate.
Gelangt ein Partikel zwischen die beiden Partner entsteht im Zusammenhang mit dem Gegendruck eine Spannungsspitze, die die Metallmembran versagen lasst.If a particle gets between the two partners, a spike of tension arises in connection with the back pressure, causing the metal diaphragm to fail.
Des Weiteren sind Einspritzventile aus der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einspritzventilvorrichtung mit einem verbesserten Verschleißverhalten bereitzustellen.The object of the present invention is to provide an injection valve device with an improved wear behavior.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is solved by the features of the independent claims.
Demgemäß ist nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Einspritzventilvorrichtung für ein Hochdrucksystem vorgesehen, wobei die Einspritzventilvorrichtung aufweist: einen Injektorkörper; ein Piezoelement; eine Membran; und eine mit dem Piezoelement gekoppelte Bodenplatte, welche einen Kontaktbereich mit der Membran ausbildet und welche mindestens eine Ausnehmung aufweist, welche derart ausgebildet ist, dass im Betrieb Partikel aus dem Kontaktbereich heraus befördert werden.Accordingly, according to a first aspect of the present invention, there is provided an injection valve device for a high pressure system, the injection valve device comprising: an injector body; a piezoelectric element; a membrane; and a base plate coupled to the piezoelectric element, which forms a contact region with the membrane and which has at least one recess which is designed such that particles are conveyed out of the contact region during operation.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Hochdrucksystem mit einer Einspritzventilvorrichtung vorgesehen.According to a second aspect of the present invention, a high pressure system is provided with an injection valve device.
Vorzugsweise wird eine derartige Einspritzventilvorrichtung in einem Fluidsystem zur Förderung von Fluid für ein Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen eingesetzt.Preferably, such an injection valve device is used in a fluid system for conveying fluid for a storage injection system for internal combustion engines of motor vehicles.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch aus, dass durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung vermieden wird, dass bei der Einspritzventilvorrichtung ein Partikel zwischen die beiden Bauteile Bodenplatte und Membran gelangt und hier Verschleiß in Form von einem Materialabtrag oder Abrieb von einer Oberfläche der Bodenplatte und/oder der Membran hervorrufen kann.The present invention is characterized by the fact that it is avoided by the use of the present invention that in the injection valve device, a particle passes between the two components base plate and membrane and wear in the form of a material removal or abrasion from a surface of the bottom plate and / or can cause the membrane.
Dabei kann der Partikel durch Abrieb von einem Bauteil der Einspritzventilvorrichtung erzeugt werden oder der Partikel kann als eine Verunreinigung der Umgebungsluft auftreten oder der Partikel kann als eine Verunreinigung des Fluids, mit welchem das Fluidsystem betrieben wird, auftreten. In this case, the particle may be generated by abrasion of a component of the injection valve device or the particle may occur as a contamination of the ambient air or the particle may occur as an impurity of the fluid with which the fluid system is operated.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Kontaktfläche zwischen Membran und Bodenplatte der Einspritzventilvorrichtung über den insgesamt steuerbaren Piezohub derart mit Vertiefungen oder Ausnehmungen ausgestaltet, dass im Betrieb der Einspritzventilvorrichtung eine auf die Partikel wirkende Pumpwirkung oder Pumpkraft erzeugt wird.In the present invention, the contact surface between the diaphragm and bottom plate of the injection valve device over the total controllable piezohub is configured with recesses or recesses, that during operation of the injection valve device acting on the particles pumping action or pumping force is generated.
Die Pumpwirkung oder Pumpkraft kann die Partikel in denjenigen Bereich der Einspritzventilvorrichtung drängen, in welchem kein Materialabrieb durch die Partikel hervorgerufen werden kann.The pumping or pumping force may force the particles into that portion of the injector device in which no material abrasion by the particles can be caused.
Durch Einbringung von Entlastungsnuten in die Bodenplatte, kann diese Pumpwirkung dazu genutzt werden, die Partikel in Bereiche abzulenken, in welchen die Partikel keine Beschädigung der Einspritzventilvorrichtung hervorrufen können.By introducing relief grooves into the bottom plate, this pumping action can be used to divert the particles into areas where the particles can not cause damage to the injection valve device.
Zum einen kann ein Partikel, der sich in einer Entlastungsnut oder in einer Vertiefung befindet, keinen Schaden mehr anrichten, andererseits wird der Partikel durch das Abrollen der Membran auf der Bodenplatte nach außen befördert und der Partikel gelangt so aus dem Kontaktbereich zwischen der Membran und der Bodenplatte heraus.On the one hand, a particle, which is located in a relief groove or in a depression, no longer cause damage, on the other hand, the particle is transported by the rolling of the membrane on the bottom plate to the outside and the particle thus passes out of the contact area between the membrane and the Bottom plate out.
Die Vertiefungen oder Entlastungsnuten sind einerseits so ausgeführt, dass die Vertiefungen oder Entlastungsnuten Partikel aufnehmen und ableiten können, andererseits sind die Vertiefungen oder Entlastungsnuten nicht derart groß ausgebildet, dass das Spannungsniveau des Membran-Bodenplatte Systems aufgrund einer zu geringen Abstützung der Membran verändert wird.On the one hand, the depressions or relief grooves are designed so that the depressions or relief grooves can take up and discharge particles; on the other hand, the depressions or relief grooves are not formed so large that the stress level of the membrane base plate system is changed due to insufficient support of the membrane.
Obwohl Piezoantriebe in Rein- oder Reinsträumen hergestellt werden, in denen die Konzentration luftgetragener Teilchen so gering wie nötig gehalten wird, können Partikel oder sonstige Verunreinigung innerhalb der Piezoantriebe nicht vollständig vermieden werden.Although piezo drives are manufactured in clean or clean rooms, in which the concentration of airborne particles is kept as low as necessary, particles or other contamination within the piezo drives can not be completely avoided.
Auch in der Luft sind bereits Partikel oder sonstig luftgetragene Teilchen vorhanden, die schädlich auf die Einspritzventilvorrichtung im Betrieb wirken können. Durch die Steigerung der Effizienz der Keramik können heute auch Auslenkungen erreicht werden, die die Membran zusätzlich näher an die Auslegungsgrenze bringen.Also in the air particles or other airborne particles are already present, which can have a detrimental effect on the injection valve device during operation. By increasing the efficiency of the ceramic, it is also possible today to achieve deflections which additionally bring the membrane closer to the design limit.
Darüber hinaus müssen die Piezokeramiken elektrisch gegen Masse isoliert werden. Dazu werden üblicherweise Silikone verwendet, die im Betrieb trotz Trocknung und Lagerung noch flüchtige Bestandteile, auch als Partikel, emittieren.In addition, the piezoceramics must be electrically insulated against ground. For this purpose, silicones are usually used, which emit during operation despite drying and storage still volatile components, as particles.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es vorteilhaft, diese Partikel in Bereiche abzuführen, in denen sie nicht schädlich auf das System Bodenplatte-Membran wirken können.The present invention advantageously makes it possible to remove these particles into areas where they can not be detrimental to the system bottom plate membrane.
Die Partikel können vom Verschleiß von Komponenten der Einspritzventilvorrichtung stammen und eine Partikelgröße von bis 3 μm oder mehr aufweisen.The particles may originate from wear of components of the injection valve device and have a particle size of up to 3 microns or more.
Der Begriff Fluid ist hier in seinem weiteren Sinne zu verstehen, das Fluid kann also sowohl eine Flüssigkeit als auch ein Gas sein.The term fluid is to be understood here in its broader sense, so the fluid can be both a liquid and a gas.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bodenplatte dazu ausgebildet ist, die Membran abzustützen.In an advantageous embodiment it is provided that the bottom plate is designed to support the membrane.
Dadurch kann vorteilhaft die Statik der Einspritzventilvorrichtung verbessert werden.As a result, the statics of the injection valve device can advantageously be improved.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine Ausnehmung der Bodenplatte derart ausgebildet ist, im Betrieb der Einspritzventilvorrichtung eine Pumpkraft zu erzeugen und mit Hilfe der Pumpkraft die Partikel aus dem Kontaktbereich herauszubefördern.In a further preferred embodiment, it is provided that the at least one recess of the bottom plate is designed to generate a pumping force during operation of the injection valve device and to convey the particles out of the contact region with the aid of the pumping force.
Dies erlaubt auf einfache Weise, Materialabtrag an der Oberfläche der Bodenplatte und/oder Membran, wie er durch Partikel verursacht wird, zu vermeiden.This allows a simple way to avoid material removal on the surface of the bottom plate and / or membrane, as caused by particles.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine Ausnehmung als eine Nut-förmige Vertiefung oder eine sonstige längliche Vertiefung ausgebildet ist.In a further preferred embodiment, it is provided that the at least one recess is formed as a groove-shaped depression or another elongated depression.
Dadurch kann vorteilhaft ein Ableiten der Partikel entlang der Nut-förmigen Vertiefung erreicht werden.As a result, advantageously, a removal of the particles along the groove-shaped depression can be achieved.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Nut-förmige Vertiefung oder die sonstige längliche Vertiefung radial verlaufend auf einer Oberfläche der Bodenplatte ausgebildet ist.In a further preferred embodiment it is provided that the groove-shaped recess or the other elongated recess is formed radially extending on a surface of the bottom plate.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Nut-förmige Vertiefung oder die sonstige längliche Vertiefung sekantial oder semi-tangential verlaufend auf einer Oberfläche der Bodenplatte ausgebildet ist.In a further preferred embodiment, it is provided that the groove-shaped recess or the other elongated recess is formed in a hexagonal or semi-tangential manner on a surface of the base plate.
Dadurch kann vorteilhaft, ein Partikel-bedingter Abrieb durch ein im Betrieb selbst-induziertes Ableiten der Partikel umgangen werden. As a result, it is advantageous to avoid particle-induced abrasion by self-induced discharge of the particles during operation.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Nut-förmige Vertiefung oder die sonstige längliche Vertiefung spiralförmig verlaufend auf einer Oberfläche der Bodenplatte ausgebildet ist.In a further preferred embodiment it is provided that the groove-shaped depression or the other elongated depression is formed spirally extending on a surface of the bottom plate.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bodenplatte als ein rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist.In a further preferred embodiment it is provided that the bottom plate is formed as a rotationally symmetrical body.
Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.The described embodiments and developments can be combined with each other as desired.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations, not explicitly mentioned, of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Konzepten der Erfindung.The accompanying drawings are intended to provide further understanding of the embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain concepts of the invention.
Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.Other embodiments and many of the stated advantages will become apparent with reference to the drawings. The illustrated elements of the drawings are not necessarily shown to scale to each other.
Es zeigen:Show it:
In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.In the figures of the drawings, like reference characters designate like or functionally identical elements, components, components or method steps, unless indicated otherwise.
Die
Eine Bodenplatte
Insgesamt ist auf der Oberfläche der Bodenplatte
Die Nut-förmigen oder länglichen Vertiefungen
Die Bodenplatte
Die
Abweichend von der in der
Insgesamt ist auf der Oberfläche der in der
Die Nut-förmigen oder länglichen Vertiefungen
Die weiteren in der
Die
Abweichend von der in der
Insgesamt ist auf der Oberfläche der Bodenplatte
Dabei ergibt sich durch die Vertiefungen
Die Nut-förmigen oder länglichen Vertiefungen
Die
Eine Einspritzventilvorrichtung
Dabei kann die Koppelung zwischen Piezoelement
Beispielsweise kann die Bodenplatte
In der
Die Bodenplatte
Der Injektorkörper
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. In particular, the invention can be varied or modified in many ways without deviating from the gist of the invention.
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
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R084 | Declaration of willingness to licence |