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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Hubübertragungselement für ein Einspritzventil
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Ein
derartiges Element ist bekannt aus der
DE 199 62 177 A1 , wobei
das Hubübertragungselement
einen druckbelasteten Speicherkammerbereich aufweist, dessen Bereichsgrenzen
elastisch ausgebildet sind. Durch dieses thermische Ausgleichselement
kann trotz der vorhandenen verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Einzelkomponenten innerhalb des Einspritzventils (z.B. Keramik, Stahl
und Hydraulikfluid) eine kraftschlüssige Verbindung der Einzelkomponenten
eines Einspritzventils im gesamten Betriebsbereich sichergestellt
werden; zu beachten ist dabei insbesondere die Drehzahlfestigkeit
des Hubübertragungselementes.
Gemäß der
DE 199 62 177 A1 wird
der Speicherkammerbereich durch eine Federbalganordnung aus Metall
begrenzt. Nachteilig dabei ist zunächst, dass Metallbalganordnungen
aufwendig in der Herstellung und daher relativ teuer sind. Da die
Metallbälge
radial sehr steif sind, findet der Volumenausgleich in axialer Richtung statt.
Dabei weist der Metallbalg lediglich bei kleinen Auslenkungen eine
lineare Federkennlinie auf, bei größeren Auslenkungen, die z.
B. beim Temperaturgang im Betrieb auftreten, zeigt der Balg starke
Hystereseffekte. Infolge des Setzungs- und Hystereseverhaltens der
Einzelbälge
ist ein zusätzliches
Federelement erforderlich, um die Aufrechterhaltung des Speicherkammerdruckes
und damit die Funktionsfähigkeit
auch bei hohen Motordrehzahlen zu gewährleisten. Nachteilig ist also
auch, dass sich bei dieser Metallbalg-Anordnung die dynamischen
Eigenschaften während
des Betriebes ändern
können.
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Alternativ
kann gemäß der
DE 199 62 177 A1 der
Speicherkammerbereich mit den elastischen Bereichsgrenzen auch aus
einem Elastomer-Werkstoff gebildet sein. Dabei kann der Volumenausgleich durch
radiale Ausbalgung ermöglicht
sein. In axialer Richtung sind diese Elemente relativ weich, was
für eine
ausreichende Hubgenerierung durch den Aktor erforderlich ist. Die
bekannten Elastomer-Werkstoffe zeigen jedoch ein Kriechverhalten,
das bei der unvermeidlichen Alterung zu einem Verlust der radialen Steifigkeit
und damit zu einem unerwünschten
Druckverlust in der Speicherkammer führt. Eine Drehzahlfestigkeit
wäre also
auch bei einem Elastomerbalg deshalb nicht gegeben.
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Aus
der
US 4,858,439 ist
ein Hubübertragungselement
für Einspritzventile
bekannt mit einem Zylinder großen
Durchmessers und einem Zylinder kleinen Durchmessers, die miteinander
verbunden sind. Ein Kolben mit großem Durchmesser und ein Kolben
mit kleinem Durchmesser sind verschiebbar in den Zylindern großen Durchmessers
bzw. den Zylinder kleinen Durchmessers eingesetzt und eine Zylinderkammer
ist zwischen dem inneren Ende des Kolbens mit großem Durchmesser
und dem inneren Ende des Kolbens mit kleinem Durchmesser ausgebildet.
Ein erstes Dichtungselement ist derart angeordnet, dass es das vorstehende äußere Ende
des Kolbens mit großem
Durchmesser umgibt und ein zweites Dichtungselement ist derart angeordnet, dass
es das vorstehende Ende des Kolbens mit kleinem Durchmesser umgibt.
Ein Ende des ersten Dichtungselementes ist an dem vorstehenden äußeren Ende
des Kolbens mit großem
Durchmesser befestigt und sein anderes Ende ist an dem Gehäuse des Elements
befestigt, um darin eine erste hermetisch abgedichtete Kammer zu
bilden. Zusätzlich
ist ein Ende des zweiten Dichtungselementes an dem vorstehenden äußeren Ende
des Kolbens mit kleinem Durchmesser befestigt und sein anderes Ende
ist an dem Gehäuse
des Elements befestigt, um eine zweite hermetisch abgedichtete Kammer
darin zu bilden. Die Zylinderkammer und beide hermetisch abgedichteten
Kammern sind mit Öl
befüllt.
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Aus
der
DE 100 46 323
A1 ist ein hydraulisches Spielausgleichsystem mit einem
Zylinder und einem Kolben bekannt, die Führungsflächen und einen dazwischen liegenden
Passungsspalt aufweisen. Das System ist dadurch gekennzeichnet,
dass es abgeschlossen ist und dass die Führungsfläche des Kolbens und/oder des
Zylinders mindestens eine Rille aufweist.
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Die
beiden vorgenannten Dokumente offenbaren jeweils ein Hubübertragungselement
für Einspritzventile,
das mit Hydraulikfluid gefüllt
ist und über
einen als Federbalg ausgeführtes
Dichtelement verfügt.
Die jeweiligen Federbälge
der Hubübertragungselemente
sind nicht als Elastomerbalg mit Versteifungselement ausgebildet.
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Aus
der
DE 44 07 962 C1 ist
ein Betätigungselement
mit elektro- oder magnetostriktiven Aktuator und einen an den Aktuator
gekoppelten Stellwegvergrößer bekannt,
wobei der Stellwegvergrößerer einen
mit einer formsteifen Wandung umschlossenen Druckraum aufweist,
der vollständig
mit einer inkompressiblen verformbaren Substanz gefüllt ist
und einen in Richtung seiner Flächennormalen
mittels des Aktuators verschiebbaren primären Wandungsbereich großen Flächeninhalts
sowie einen vom Bereich getrennt angeordneten und ebenfalls in Richtung
seiner Flächennormalen
verschiebbaren sekundären
Wandungsbereich kleinen Flächeninhalts
aufweist. Der das Abtriebselement bildende oder tragende sekundäre Wandungsbereich
ist elastisch gebunden in die ihn umgebende Druckraumwandung eingefügt.
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Aus
der
DE 197 27 992
A1 ist ein Spielausgleichselement bekannt bestehend aus
einem aktorseitigen oberen Teil, einem sich an einem steifen Lager
abstützenden
unteren Teil und einer die Kammer abdichtenden, in axialer Richtung
nachgiebigen Struktur. Das Ausgleichselement weist eine ölgefüllte Kammer
auf. Das Ausgleichselement ist mit geringem lateralen Spiel in eine
ringförmige
Halterung eingepasst, wodurch jede temperaturbedingte Änderung
des Öl-
bzw. Kammervolumens eine der Volumenänderung proportionale Verschiebung
des oberen Gehäuseteils
in axialer Richtung zur Folge hat. Durch eine entsprechende Bemessung
der Kammerhöhe
werden temperaturbedingte Längenänderungen
des Ventilsgehäuses
des piezoelektrischen Aktors mit Hilfe des Ausgleichselements kompensiert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hubübertragungselement für ein Einspritzventil bereitzustellen,
dass über
die Betriebsdauer eine ausreichende Drehzahlfestigkeit aufweist.
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Erfindungsgemäß ist dies
bei einem Hubübertragungselement
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 erreicht, wobei der Elastomerbalg
ein Versteifungselement aufweist, das zumindest abschnittsweise
im Elastomerbalg eine über
die Betriebsdauer gleichbleibende radiale Steifigkeit sicherstellt.
So ist trotz Alterung des Elastomerwerkstoffes durch das elastische
Versteifungselement ein unerwünschter
Druckverlust über
die Lebensdauer vermieden. Zur Erzeugung der Gegenkraft für einen
Aktor des Einspritzventils kann ein zusätzliches geeignetes, gegebenenfalls
aus dem Stand der Technik bekanntes, Element vorgesehen werden.
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Besonders
kompakt kann das Hubübertragungselement
ausgeführt
werden, wenn das Versteifungselement gleichzeitig zumindest abschnittsweise die
axiale Steifigkeit des Elastomerwerkstoffes höchstens unwesentlich erhöht. Dann
kann zumindest durch einen Abschnitt des Elastomerbalges neben der
Speicherfunktion zugleich die Aktor-Gegenkraft bereitgestellt werden.
Das Versteifungselement ist dabei so optimal gewählt, dass es insbesondere den
Verlust der radialen Steifigkeit infolge der Alterung des Elastomerwerkstoffes
kompensiert ohne die axiale Steifigkeit des Speicherelementes zu
stark zu erhöhen.
Wenn sich dabei das Versteifungselement über die gesamte Länge des
Elastomerbalges erstreckt, ist durch eine geeignete Wahl insbesondere der
Geometrien sowohl des Elastomerbalges als auch des Versteifungselementes
entsprechend den jeweiligen Anforderungen dieser Kompromiss zu erreichen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
vorgeschlagen, dass der Elastomerbalg federtechnisch in Reihe geschaltet
einen ersten Bereich A und einen zweiten Bereich B aufweist, wobei
das Versteifungselement lediglich im zweiten Bereich vorgesehen
ist. Der erste Bereich A ist aufgrund einer geeignet gewählten Geometrie
radial steifer ausgebildet als der zweite Bereich. Der zweite Bereich
B ist infolge des Versteifungselementes axial steifer ausgebildet
als der erste Bereich A. Die beiden Bereiche A, B sind axial in
Reihe geschaltet, so dass sich die Kehrwerte der axialen Steifigkeiten
addieren. Bei einer durch den Aktor gegebenen Gesamtauslenkung wird
daher die zusätzliche
auf den Aktor wirkende Gegenkraft in erster Näherung alleine durch ersten Bereich
A mit der geringeren Steifigkeit bestimmt. Zusätzlich entstehendes Volumen
des Hydraulikfluides führt
infolge der geringeren radialen Steifigkeit des zweiten Bereiches
B in erster Näherung
alleine im zweiten Bereich B zu einer Ausbalgung. Die Zuordnung
der Eigenschaften in die beiden Bereiche des Elastomerbalges ermöglicht so
eine optimale Einstellung der Eigenschaften des Hubübertragungselementes.
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Um
ein kompaktes und robustes Hubübertragungselmement
bzw. Speicherelement bereitstellen zu können, kann erfindungsgemäß weiter
vorgesehen sein, dass das Versteifungselement in den Elastomerbalg,
der insbesondere als eine Hülse
ausgebildet ist, eingespritzt ist. Dies gilt noch verstärkt, wenn eine
Bodenplatte und/oder eine Kopfplatte über Spritztechnik mit dem Elastomerbalg
und dem Versteifungselement zu einer Baueinheit verbunden sind.
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Nachfolgend
ist ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Einspritzventils
mit Hubübertragungselement
beschrieben; es zeigen:
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1 stark
vereinfacht in einer Schnittdarstellung das Einspritzventil, sowie
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2 einen
Speicher des Hubübertragungselementes
in einer vergrößerten perspektivischen Darstellung.
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Gemäß 1 umfasst
ein Einspritzventil einen Aktor 1, der über ein Hubübertragungselement, das einen
hydraulischen Umkehrer 3 aufweist, die Bewegung einer Ventilnadel 5 und
damit den Kraftstoffeinspritzvorgang steuert. Die Ventilnadel 5 ist
dabei in an sich bekannter Weise in einem mit entsprechenden Ventilöffnungen 7 ausgestatteten
Ventilnadelgehäuse 9 geführt, wobei
das Ventil gemäß 1 nach
innen oder alternativ nach außen öffnet. In
einem mit einem Hydraulikfluid gefüllten Gehäuse 12 des hydraulischen
Umkehrers 3 sind ein Nadelstößel 11 und damit verbunden
ein Aktorstößel 13 geführt. Die
Bewegung des Aktors 1 wird durch den Aktorstößel 13 auf den Nadelstößel 11 und weiter
auf die Ventilnadel 5 übertragen.
Zum thermischen Volumenausgleich für das Hydraulikfluid weist
das Hubübertragungselement
eine Speicherkammer 15 in dem Gehäuse 12 auf sowie eine
Zusatzspeicherkammer 16, die in einem zusätzlichen
elastischen Speicherelement 17 ausgebildet ist. Die elastischen Wandabschnitte
des Speicherelementes 17 sind durch einen Elastomerbalg 19 realisiert,
der zugleich in axialer Richtung die Gegenkraft für den Aktor 1 bereitstellt.
Dabei ist der hohlzylinderförmige
Elastomerbalg 19 stirnseitig zum einen mit einer Bodenplatte 21 und
zum anderen mit einer Kopfplatte 23 dicht verbunden. Die
Bodenplatte 21 schließt
das Gehäuse 12 des
hydraulischen Umkehrers 3 ab und weist eine entsprechende Öffnung für den Aktorstößel 13 auf.
Die Kopfplatte 23 ist aktorseitig mit dem Aktorstößel 13 dicht
verbunden. In dem Ringraum zwischen dem Aktorstößel 13 und der Innenwand
des Elastomerbalges 19 ist also die Zusatzspeicherkammer 16 mit
den elastischen Wandabschnitten ausgebildet. Die Zusatzspeicherkammer 16 steht über einen
geeignet dimensionierten ringförmigen
Spalt 25, der im Bereich der Öffnung des Gehäuses 12 zwischen
diesem und dem Aktorstößel 13 gebildet
ist, mit der im Gehäuse 12 des
hydraulischen Umkehrers 3 gebildeten Speicherkammer 15 fluidtechnisch
in Verbindung.
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Der
Elastomerbalg 19 des Speicherelementes 17 weist
in axialer Richtung einen ersten Bereich A und einen zweiten Bereich
B mit unterschiedlichen axialen und radialen Elastizitätseigenschaften
auf. Die beiden Bereiche A, B gewährleisten dabei unterschiedliche
Funktionen des Speicherelementes 17 und sind jeweils gemäß den Anforderungen
geeignet aufeinander eingestellt. Im Elastomerbalg 19 ist
im zweiten Bereich B ein Versteifungselement 27 angeordnet,
das z.B. durch ein hülsenförmiges Metallnetz gebildet
ist (2). Dadurch ist dieser Bereich radial weicher
als bei einem reinen Metallbalg gemäß dem bekannten Stand der Technik
und zwar so weich, dass das Zusatzvolumen des Hydraulikfluides ohne starken
Druckanstieg im Speicherelement 17 aufgenommen werden kann.
Dieses Metallnetz 27 stellt zudem trotz Kriechens des Elastomerwerkstoffes über dessen
Lebensdauer eine gleichbleibende radiale Steifigkeit im zweiten
Bereich B des Elastomerbalges 19 sicher. Gleichzeitig ist
die Geometrie des Elastomerbalges 19 im ersten Bereich
A derart gewählt, dass
die radiale Steifigkeit im ersten Bereich A trotz Fehlens eines
Versteifungselementes deutlich größer ist als im zweiten Bereich
B. Daher ist eine radiale Ausbalgung bzw. ein damit verbundener
Druckverlust über
die Lebensdauer im ersten Bereich A vernachlässigbar und die Drehzahlfestigkeit
des Speicherelementes insgesamt nicht negativ beeinflusst.
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Infolge
der Auslegung des radialen Versteifungselementes 27 gemäß 2 weist
der Elastomerbalg 19 im zweiten Bereich B jedoch eine erhöhte axiale
Steifigkeit auf, was sich – falls
der Bereich A nicht vorhanden wäre – negativ
auf die Funktionsfähigkeit
des Einspritzventils auswirken würde.
Bei den bekannten Aktortypen fällt
nämlich
der Ausgangshub mit stei gender aufgebrachter Gegenkraft. Durch die geeignete
Auslegung der axialen Steifigkeit im ersten Bereich A des Elastomerbalges 19 ist
jedoch sichergestellt, dass sich der Aktorhub ohne nennenswerte zusätzliche
Gegenkraft in das Übertragungselement 3 einleiten
lässt.
Da nun die axiale Steifigkeit im zweiten Bereich B für die Funktion
des Umsetzers nicht mehr relevant ist, kann sie beliebig hoch gewählt sein und
insbesondere optimal bzgl. der oben beschriebenen Anforderungen.
Im Bereich A ist ein unverstärkter
Elastomer verwendet, dessen Steifigkeit durch die Werkstoffhärte und
die Geometrie axial optimal eingestellt ist. Die Länge des
Bereiches A ist jedoch, wie oben beschrieben, so auszulegen, dass
dieser Bereich A radial ausreichend steif ist, um bei einer Vergrößerung des
Hydraulikfluidvolumens vernachlässigbar
auszubalgen.
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Zusammenfassend
sind der hydraulische Umsetzer 3 bzw. das Speicherelement 17 also
so ausgebildet, dass zum einen das durch eine Temperaturänderung
erzeugte Zusatzvolumen an Hydraulikfluid wegen der geringen radialen
Steifigkeit im zweiten Bereich B ohne nennenswerten Druckanstieg
bereitgestellt wird, so dass sich die dynamischen Eigenschaften
des Einspritzventils im Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +150°C nur unwesentlich ändern. Zum
anderen ist wegen der geringen axialen Steifigkeit im ersten Bereich
A die durch das Speicherelement 17 erzeugte Aktor-Gegenkraft
geeignet gering. Dabei weist der Elastomerwerkstoff eine Härte von
70 bis 85 ShoreA nach DIN 53505 auf. Die Steifigkeit des Elastomerwerkstoffes
ist an sich isotrop also richtungsunabhängig. Wegen den Bauraumbeschränkungen
wird der Elastomerbalg 19 jedoch als eine Hülse ausgebildet,
wobei gilt, dass die Länge
der Hülse
wesentlich größer ist
als deren Wandstärke.
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Der
gesamte Elastomerspeicher 17 wird in einem Vulkanisierprozess
hergestellt. Dabei werden die Kopf- und die Bodenplatte 21, 23 zusammen
mit dem Versteifungselement 27 in eine entsprechende Spritzform
eingelegt und der heiße
Werkstoff eingespritzt. Bei hoher Temperatur und Druck findet der Vernetzungsprozess
statt, wodurch alle Teile fest miteinander verbunden sind und als
eine kompakte und robuste Baueinheit aus der Spritzform entnommen werden
können
(nicht gezeigt).
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Das
erfindungsgemäße Hubübertragungselement
ist als hydraulischer Kompensator zum Einsatz in verschiedenen Einspritzventilarten,
insbesondere bei Dieseleinspritzventilen oder in High Pressure Direct
Injection (HPDJ)-Systemen geeignet.