DE102016225743B4

DE102016225743B4 - Dämpfungseinrichtung und Gasinjektor mit einer Dämpfungseinrichtung

Info

Publication number: DE102016225743B4
Application number: DE102016225743.9A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Martin Katz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: CN108223669B; CN108223669A; DE102016225743A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dämpfungseinrichtung (10), insbesondere für eine linear beweglich angeordnete Gasnadel (102), mit einem Speicherraum (25) zur Aufnahme eines Dämpfungsmediums (26), wobei das Dämpfungsmedium (26) dazu ausgebildet ist, zumindest mittelbar mit dem Element (2, 102) zusammenzuwirken, um bei einer Verdrängung des Dämpfungsmediums (26) dessen Bewegungsenergie zu reduzieren.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Gasinjektor mit einer Dämpfungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Dämpfungseinrichtung ist aus der DE 10 2007 017 589 B3 bekannt. Die bekannte Dämpfungseinrichtung zeichnet sich durch die Verwendung eines Fluids als Dämpfungsmedium aus, das innerhalb eines mehrere Teilräume aufweisenden Speicherraums angeordnet ist. Bei einer Bewegung des zu dämpfenden Elements wirkt dieses zumindest mittelbar auf das Dämpfungsmedium ein, derart, dass dieses aus einem ersten Teilbereich des Speicherraums in einen zweiten Teilraum des Speicherraums verdrängt wird. Dieses Verdrängen des Dämpfungsmediums bewirkt, dass die kinetische Energie des beweglichen Elements reduziert bzw. zumindest teilweise aufgenommen wird. Derartige Dämpfungseinrichtungen werden beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich in Form von Stoßdämpfern oder Ähnlichem eingesetzt. Um zu verhindern, dass das flüssige Medium aus dem Speicherraum austritt, ist es erforderlich, den Speicherraum abzudichten. Hierzu sind in der Regel Dämpfungselemente aus Kunststoff oder gummielastischem Material erforderlich. Dies schränkt insofern die Verwendung derartiger Dämpfungseinrichtungen ein, als dass bei höheren Temperaturen die Gefahr besteht, dass die Dichtelemente beschädigt werden und somit die Dichtheit des Speicherraums nach außen hin nicht mehr gewährleistet ist.
Aus der DE 10 2012 213 180 B4 ist darüber hinaus ein Gaswechselventil mit einer Dämpfungseinrichtung bekannt, wobei die Dämpfungseinrichtung als im Querschnitt in etwa topfförmig geformtes und elastisch deformierbares Element ausgebildet ist, das mit einem Gegenelement zusammenwirkt. Wesentlich dabei ist, dass beim Zusammenwirken des Dämpfungselements mit dem Gegenelement sich das Dämpfungselement elastisch deformiert und somit die gewünschte Dämpfung erzielt. Zu berücksichtigen ist hierbei jedoch, dass das bekannte Dämpfungselement bzw. die Dämpfungseinrichtung zwar ohne die Verwendung eines Mediums auskommt, die Dämpfungswirkung jedoch auf den Bereich des Hubs des beweglich angeordneten Elements beschränkt ist, bei dem das Dämpfungselement mit seinem Gegenelement in Wirkverbindung gelangt.
Weiter ist aus der DE 201 16 169 U1 ein Energie-Dämpfungselement und aus DE 20 2008 000 985 U1 ein Federorgan mit dämpfenden Eigenschaften bekannt. Die DE 10 2006 062 562 A1 offenbart ein Brennstoffeinspritzventil mit einem in verdichtetem Pulver gelagerten Piezoaktor und die DE 10 2006 017 034 A1 ein Einspritzsystem mit einem Piezoaktor. Die DE 35 33 085 A1 zeigt ein Zumessventil zur Dosierung von Flüssigkeiten oder Gasen.
Offenbarung der Erfindung
Der Gasinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Gasnadel über ihren gesamten Bewegungsweg eine Dämpfungswirkung aufweist und darüber hinaus relativ einfach und robust ausgebildet ist und den Einsatz auch bei höheren Umgebungstemperaturen ermöglicht.
Die genannten Vorteile werden im Wesentlichen dadurch erzielt, dass als Dämpfungsmedium ein festes Material verwendet wird, das aus einer Vielzahl von Festkörperelementen besteht. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass im Gegensatz zum eingangs erwähnten Stand der Technik kein flüssiges (oder ggf. gasförmiges) Dämpfungsmedium verwendet wird, das in dem Speicherraum angeordnet ist, wobei der Speicherraum nach außen hin durch Dichtelemente abgedichtet werden muss, sondern aus Festkörperelementen besteht. Derartige Festkörperelemente haben den Vorteil, dass sie innerhalb des Speicherraums von jeweils anderen Festkörperelementen verdrängt werden können und dadurch die Bewegungsenergie des beweglichen Elements aufnehmen, und dass andererseits keine aufwändige Abdichtung des Speicherraums zur Aufnahme der Festkörperelemente erforderlich ist. Es genügt vielmehr, dass der Speicherraum eine genügend hohe mechanische Festigkeit aufweist, um beispielsweise beim Verdrängen der Festkörperelemente die von den im Bereich von Wänden des Speicherraums ausgeübten Reaktionskräfte aufnehmen zu können, ohne dass dadurch der Speicherraum beschädigt wird.
Erfindungsgemäß weist der Speicherraum ein mit der Gasnadel zumindest mittelbar verbundenes erstes Teil und ein gegenüber dem ersten Teil ortsfest angeordnetes zweites Teil aufweist, und dass die beiden Teile durch ein elastisch deformierbares drittes Teil miteinander verbunden sind. Eine derartige Ausbildung des Speicherraums ermöglicht es insbesondere, den Speicherraum vollständig mit dem Dämpfungsmedium zu befüllen, da bei einer Verdrängung des Dämpfungsmediums durch eine Relativbewegung des zweiten Teils zum ersten Teil sich das beweglich ausgebildete dritte Teil deformieren kann und somit ein Ausweichen der Partikel bzw. des Dämpfungsmediums ermöglicht. Dabei ist das dritte Teil in Form eines Balgs ausgebildet. Da dieser Balg einerseits direkt in Wirkverbindung bzw. Kontakt mit den Metallpartikeln angeordnet ist und andererseits -je nach Anwendungsfall - relativ hohen Temperaturen ausgesetzt ist, ist es darüber hinaus vorgesehen, dass der Balg aus Metall besteht. Dadurch wird die Robustheit des Speicherraums gegenüber mechanischem Abrieb oder Ähnlichem des Metallpulvers erhöht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Festkörperelemente Pulverpartikel sind. Gemeint ist hierbei, dass -je nach Anwendungsfall - sehr kleine bzw. feinkörnige Festkörperelemente in Form von Pulverpartikel verwendet werden, wobei die Korngröße beispielsweise zwischen 10 µm und 100 µm betragen kann. Derartige Pulverpartikel haben den Vorteil, dass sie eine sehr gute Aufnahme der Bewegungsenergie ermöglichen und die von dem Pulvermaterial auf das beweglich angeordnete Element zumindest mittelbar ausgeübte Reaktionskraft sehr gleichmäßig bzw. ohne sprunghafte Änderungen erfolgt. Darüber hinaus weisen derartige Pulverpartikel auch relativ große Kontaktflächen auf, so dass die bei der Verdrängung von Pulvermaterial entstehende Wärme sehr gut über die Pulverpartikel aufgenommen und beispielsweise an den Speicherraum bzw. an ein Außengehäuse abgegeben werden kann.
Besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn die Pulverpartikel aus Sintermaterial bestehen und vorzugsweise zumindest in etwa dieselbe Korngröße aufweisen. Die Verwendung von Sintermaterial, d.h. von aus Metall bestehenden Partikeln, hat insbesondere den Vorteil, dass die Dämpfungseinrichtung bei sehr hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden kann, wobei die Wahl des geeigneten Sintermaterials von den Umgebungsbedingungen, insbesondere den Umgebungstemperaturen, abhängig gemacht werden kann. Weiterhin wird durch die Verwendung von Pulverpartikeln mit etwa derselben Korngröße ein homogen gefüllter Speicherraum ermöglicht, bei dem sich keine Bereiche mit beispielsweise eine höhere Korngröße aufweisenden Partikeln ausbilden können, die dann ggf. zu einem anderen Dämpfungsverhalten führen würden.
Eine weitere Verbesserung des Dämpfungsverhaltens lässt sich erzielen, wenn der Speicherraum wenigstens eine Druckausgleichsbohrung aufweist, die den Innenraum des Speicherraums nach außen druckentlastet, und dass die wenigstens eine Druckausgleichsbohrung einen kleineren Öffnungsquerschnitt aufweist als der Querschnitt der Festkörperelemente. Letztgenanntes Merkmal ermöglicht es insbesondere, dass die Festkörperelemente in unmittelbarer Nähe der wenigstens einen Druckausgleichsbohrung angeordnet werden können, da durch ihre Größe keine Gefahr besteht, dass diese aus der Druckausgleichsbohrung und somit dem Speicherraum austreten. Dadurch wird darüber hinaus ein besonders kompakter Speicherraum mit Druckausgleichsbohrungen ermöglicht, da beispielsweise keine Totvolumina oder Ähnliches vorgesehen werden müssen, um die Festkörperelemente räumlich von der Druckausgleichsbohrung zu trennen.
Um einerseits die Deformierbarkeit des Speicherraums zu gewährleisten, und andererseits den Speicherraum gegenüber insbesondere mechanischen äußeren Einflüssen zu schützen, ist es darüber hinaus vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung innerhalb eines Gehäuses aufgenommen ist, wobei zwischen der Dämpfungseinrichtung und dem Gehäuse ein Freiraum ausgebildet ist.
Der Gasinjektor mit der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung hat insbesondere den Vorteil, dass der Gasinjektor, der üblicherweise beispielsweise im Bereich der Brennkraftmaschine angeordnet ist, relativ hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann, ohne dass zusätzliche Kühleinrichtungen oder konstruktive Maßnahmen erforderlich sind, die die Integrität bzw. Dichtheit des Speicherraums sicherstellen.
In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung des soweit beschriebenen Gasinjektors ist es vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung auf der der Gasnadel zugewandten Seite ein Federelement aufweist, das die Gasnadel in eine der Dämpfungseinrichtung abgewandte Richtung mit Federkraft beaufschlagt. Das Federelement bewirkt somit eine Rückstellung des beweglich angeordneten Elements (Gasnadel) in seine ursprüngliche Position.
In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass die Federkraft des Federelements durch ein Einstellelement einstellbar ist. Dadurch kann ein und dieselbe Dämpfungseinrichtung ggf. an unterschiedliche Anforderungen bzw. Gasnadeln angepasst werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:

1 einen Ausschnitt aus einem Gasventil mit einer erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung in einem vereinfachten Längsschnitt und
2 ein Detail der 1 im Bereich des Speicherraums in einer vergrößerten Darstellung in einem Teillängsschnitt.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist bereichsweise ein Gasinjektor 100 dargestellt, wie er insbesondere bei Kraftfahrzeugen zum zumindest mittelbaren Einblasen von Gas in den Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Der Gasinjektor 100 weist ein Injektorgehäuse 101 auf, innerhalb dessen in einer Bohrung eine Gasnadel 102 als bewegliches Element 2 entlang einer Längsachse 103 beweglich angeordnet ist. Die Gasnadel 102 ist an einer Stirnseite mit einer Kolbenstange 104 verbunden, die von einem Federelement 105 radial umfasst ist, wobei das Federelement 105 als Druckfeder ausgebildet ist und eine in Richtung des Pfeils 106 wirkende Kraft auf die Gasnadel 102 ausübt. Die der Gasnadel 102 abgewandte Stirnseite des Federelements 105 liegt unter Zwischenlage einer Einstellscheibe 107, über deren Dicke die Höhe einer Vorspannkraft des Federelements 105 auf die Gasnadel 102 einstellbar ist, axial an einer Dämpfungseinrichtung 10 an.
Die Dämpfungseinrichtung 10 weist ein erstes plattenförmiges Element 11 bzw. Teil auf, das der Anlage der Einstellscheibe 107 dient und gleichzeitig eine Anlagefläche 12 für die der Gasnadel 102 abgewandten Stirnfläche der Kolbenstange 104 ausbildet. Weiterhin umfasst die Dämpfungseinrichtung 10 ein zweites, ebenfalls plattenförmiges Element 13 bzw. Teil, das an der Innenseite einer Spannmutter 15 angeordnet bzw. befestigt ist. Die beiden, insbesondere eine gleiche Fläche aufweisenden Elemente 11, 13 sind über einen Metallbalg 18 als drittes Element 19 bzw. Teil miteinander verbunden.
Wie insbesondere anhand der Darstellung der 2 dargestellt ist, liegt der Metallbalg 18 mit einer Innenseite jeweils am Außenumfang der beiden Elemente 11, 13 an und kann beispielsweise mit einer radial umlaufenden Laserschweißnaht (nicht dargestellt) fest und dicht mit den beiden Elementen 11, 13 verbunden sein. Weiterhin ist anhand der Darstellung der 1 erkennbar, dass die Elemente 11, 13 und 19 konzentrisch zur Längsachse 103 und somit zur Bewegungsrichtung der Gasnadel 102 angeordnet sind. Die Spannmutter 15 bildet ein äußeres Gehäuse 20 für die Dämpfungseinrichtung 10 aus, wobei zwischen einer radial umlaufenden Innenwand 21 des Gehäuses 20 und der Dämpfungseinrichtung 10 ein radial ausgebildeter Freiraum 22 ausgebildet ist.
Mittels der Spannmutter 15 lässt sich die Dämpfungseinrichtung 10 axial mit einem Gehäuseabschnitt 108 des Injektorgehäuses 101 verbinden, wobei das erste Element 11 in eine Vertiefung 23 im Gehäuseabschnitt 108 eintaucht und dort axial an einer Stirnfläche 24 der Vertiefung 23 anliegt, d.h., dass durch die Stirnfläche 24 die axiale Beweglichkeit des ersten Elements 11 in Richtung der Gasnadel 102 limitiert ist.
Die Elemente 11, 13 und 19 bilden einen Speicherraum 25 zur Aufnahme eines Dämpfungsmediums 26 aus. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Dämpfungsmedium 26 den Speicherraum 25 zumindest nahezu vollständig ausfüllt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Dämpfungsmedium 26 in Form von Festkörperelementen bzw. Pulvermaterial 27 ausgebildet ist. Das Pulvermaterial besteht insbesondere aus (metallischem) Sintermaterial mit einer Korngröße zwischen 10µm und 100µm, wobei es bevorzugt vorgesehen ist, dass die Korngröße des Pulvermaterials 27 zumindest nahezu gleich ist.
Wie besonders deutlich anhand der 2 erkennbar ist, sind auf der den Elementen 11, 13 zugewandten Seite im Bereich des Metallbalgs 18 bzw. des dritten Elements 19 mehrere Druckausgleichsbohrungen 28, 29 ausgebildet, deren Öffnungsquerschnitt geringer ist als die Korngröße des Pulvermaterials 27.
Die Dämpfungseinrichtung 10 arbeitet wie folgt: Bei einer Bewegung der Gasnadel 102 entgegen der Richtung 106, d.h. in Richtung der Dämpfungseinrichtung 10, gelangt die Kolbenstange 104 in Kontakt mit dem ersten Element 11 der Dämpfungseinrichtung 10. Dabei wird das erste Element 11 in Richtung des (ortsfest angeordneten) zweiten Elements 13 verschoben. Beim Verschieben bzw. bei der Bewegung des ersten Elements 11 in Richtung des zweiten Elements 13 wird das in dem Speicherraum 25 befindliche Dämpfungsmedium verdrängt, wobei der Metallbalg 18 sich beispielsweise radial bereichsweise aufweitet. Dadurch wird die von der Gasnadel 102 bzw. dem Element 2 stammende Bewegungsenergie über das Dämpfungsmedium der Dämpfungseinrichtung 10 aufgenommen bzw. die Bewegung der Gasnadel 102 verzögert bzw. gedämpft. Gleichzeitig wirkt über das Federelement 105 auf die Gasnadel 102 eine in Richtung des Pfeils 106 wirkende Rückstellkraft, die, sobald die Gasnadel 102 bzw. das Element 2 eine obere Position erreicht hat, ein Rückstellen der Gasnadel 102 bzw. des Elements 2 in seine ursprüngliche Position bzw. Richtung bewirkt. Gleichzeitig wird dadurch, dass der Metallbalg 18 eine gewisse Steifigkeit aufweist, bei einer Entlastung der Dämpfungseinrichtung 10 von der Kolbenstange 104 bewirkt, dass der Metallbalg 18 wieder seine ursprüngliche Form einnimmt, d.h. dass das erste Element 11 wieder an der Stirnfläche 24 der Vertiefung 23 anliegt.

Claims

Gasinjektor (100) mit einer Gasnadel (102) als linear beweglich angeordnetes Element, die entlang einer Längsachse (103) beweglich angeordnet ist, wobei die Gasnadel (102) mit einer Dämpfungseinrichtung (10) zusammenwirkt, die einen Speicherraum (25) zur Aufnahme eines Dämpfungsmediums (26) umfasst, wobei das Dämpfungsmedium (26) dazu ausgebildet ist, zumindest mittelbar mit der Gasnadel (102) zusammenzuwirken, um bei einer Verdrängung des Dämpfungsmediums (26) dessen Bewegungsenergie zu reduzieren, wobei das Dämpfungsmedium (26) ein festes Medium ist, das aus einer Vielzahl von Festkörperelementen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherraum (25) ein mit der beweglich angeordneten Gasnadel (102) zumindest mittelbar verbundenes erstes Teil (11) und ein gegenüber dem ersten Teil (11) ortsfest angeordnetes zweites Teil (13) aufweist, und dass die beiden Teile (11, 13) durch ein deformierbares drittes Teil (19) miteinander verbunden sind, wobei das dritte Teil (19) in Form eines elastisch deformierbaren metallischen Balgs (18) ausgebildet ist.
Dämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperelemente Pulverpartikel (27) sind.
Dämpfungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverpartikel (27) aus Sintermaterial bestehen und vorzugsweise zumindest in etwa dieselbe Korngröße aufweisen.
Dämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherraum (25) wenigstens eine Druckausgleichsbohrung (28, 29) aufweist, die den Innenraum des Speicherraums (25) nach außen druckentlastet, und dass die wenigstens eine Druckausgleichsbohrung (28, 29) einen kleineren Öffnungsquerschnitt aufweist als der Querschnitt der Festkörperelemente.
Dämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung (10) innerhalb eines Gehäuses (20) aufgenommen ist, wobei zwischen einer Wand (21) des Gehäuses (20) und der Dämpfungseinrichtung (10) ein Freiraum (22) ausgebildet ist.
Gasinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung (10) auf der der Gasnadel (102) zugewandten Seite ein Federelement (105) aufweist, das die Gasnadel (102) in eine der Dämpfungseinrichtung (10) abgewandte Richtung mit Federkraft beaufschlagt.
Gasinjektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft des Federelements (105) durch ein Einstellelement (107) einstellbar ist.