DE10260349A1

DE10260349A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE10260349A1
Application number: DE2002160349
Authority: DE
Inventors: Uwe Liskow
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: DE10260349B4

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Aktor (2), und einer mit dem Aktor (2) in Wirkverbindung stehenden Ventilnadel (4), welche einen Ventilschließkörper (12) aufweist, der mit einer Ventilsitzfläche (11) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, weist insbesondere zur Abdichtung innerhalb des Brennstoffeinspritzventils (1) zumindest eine faltenbalgförmige und axial flexible Dichtung (7) auf. Die Dichtung (7) besteht erfindungsgemäß aus einem Verbundwerkstoff aus zumindest zwei Komponenten (18).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Dichtung, insbesondere für ein Brennstoffeinspritzventil, nach Anspruch 12.

Beispielsweise ist aus der DE 199 50 760 A1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor bekannt, welcher in Wirkverbindung mit einer Ventilnadel steht. Die Ventilnadel weist an ihrem abspritzseitigen Ende einen Ventilschließkörper auf, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Zwei im wesentlichen wellrohrförmige, axial flexible und radial steife Dichtungen dienen zur Abdichtung innerhalb des Brennstoffeinspritzventils, um insbesondere ein Mischen von Brennstoff und Druckmedium zu verhindern, welches zum Betrieb einer integrierten Hubübersetzung und Ausgleichsvorrichtung dient. Herkömmlicherweise besteht die Dichtung aus Metall, insbesondere aus Stahl.

Bei herkömmlichen Herstellungsverfahren für die zuvor beschriebenen Dichtungen wird die Dichtung durch Umformen hergestellt, indem beispielsweise in ein glattzylindriges Metallrohr Außendurchmessereinzüge und Innendurchmesser aufweitungen, beispielsweise in einer Presse, eingebracht werden.

Nachteilig bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren und dem aus der obengenannten Druckschrift bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere, daß die mechanische Belastbarkeit und Dauerhaltbarkeit der Dichtung begrenzt sind. Die Herstellung der Dichtung durch Umformen ist außerdem nur mit erhöhtem Aufwand möglich, da zur Umformung mehrere Herstellungsschritte notwendig sind und außerdem entsprechende Halbzeuge vorgefertigt werden müssen.

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die aus einem Verbundwerkstoff bestehende Dichtung hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise mechanische Belastbarkeit und Dauerhaltbarkeit im Betrieb, bei entsprechender Wahl der Materialien, höheren Anforderungen genügt. Die Eigenschaften mehrerer Stoffe sind so kombinierbar.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zur Herstellung der Dichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 hat den Vorteil, daß die Herstellung mit weniger Herstellungsschritten, einfacher und direkt aus Rohstoffen oder wenig verarbeiteten Vorprodukten möglich ist. Kompliziertes Umformen, wodurch die Eigenschaften des zu verarbeitenden Materials zudem noch schlecht reproduzierbar verändert werden, kann entfallen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils bzw. des im Anspruch 12 angegebenen Herstellungsverfahrens möglich.

In einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils besteht die Dichtung teilweise aus den Komponenten Kohlefaser, Kunststofffaser und/oder Metall. Je nach Beanspruchung der Dichtung können die Eigenschaften der genannten Materialien vorteilhaft kombiniert werden.

Vorteilhaft ist zudem, daß zumindest eine Komponente eine Gewebestruktur aufweist. Die Eigenschaften der Dichtung können so auf eine weitere Weise eingestellt werden.

Außerdem ist vorteilhaft, daß die Dichtung urgeformt ist. Die mechanische Belastbarkeit der Dichtung wird dadurch erhöht und die Herstellung der Dichtung ist einfacher und damit kostengünstiger.

Vorteilhaft ist es weiterhin, daß die Dichtung die Ventilnadel radial umschließt und hermetisch dicht an der Ventilnadel gefügt ist und/oder ein Ende der Dichtung hermetisch dicht an einen die Ventilnadel führenden Führungskörper gefügt ist. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil läßt sich dadurch besonders kompakt und einfach herstellen.

Vorteilhaft ist es außerdem, die Dichtung durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, an die Ventilnadel und/oder dem Führungskörper zu fügen.

Vorteilhaft ist es weiterhin, der Dichtung eine Membran zur dauerhaften hermetischen Abdichtung zuzuordnen. Die Eigenschaften der Dichtung können somit ergänzt werden. Insbesondere ist es so möglich, Diffusionsvorgänge von Kraftstoff oder Kraftstoffdämpfen zu unterbinden.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils besteht die Membran zumindest teilweise aus Metall, insbesondere aus Stahl. Die Membran ist dadurch besonders dicht und widerstandsfähig.

Vorteilhaft ist es zudem, das die Membran die Ventilnadel radial umschließt und hermetisch dicht an der Ventilnadel gefügt ist. Das Brennstoffeinspritzventil läßt sich dadurch besonders kompakt und einfach herstellen.

In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils sind die Membran und die Dichtung durch einen Diffusionsraum getrennt und begrenzen diesen. Kraftstoff, der beispielsweise durch die Dichtung diffundiert, kann durch die Membran im Diffusionsraum zurückgehalten werden.

Das Verfahren zur Herstellung der Dichtung kann dadurch weitergebildet werden, daß die erste Komponente zeitgleich und/oder im gleichen Verfahrensschritt mit der zweiten Komponente ein- bzw. aufgebracht wird.

Das Verfahren kann außerdem dadurch weitergebildet werden, daß vor oder nach dem Einbringen der zweiten Komponente und/oder vor oder während des Aushärtens des Verbundwerkstoffes die Innenform und die Außenform zusammengepreßt werden.

Vorteilhaft ist zudem, die Verfahrensschritte wenigstens teilweise unter Einwirkung von Wärme zu vollziehen. Die Eigenschaften der Dichtung können so vorteilhaft weiter verbessert werden. Außerdem läßt sich das Verfahren damit beschleunigen und vereinfachen.

Zudem ist vorteilhaft, die Verfahrensschritte Aushärten, Öffnen und/oder Trennen zumindest teilweise unter Einwirkung einer Kühlung zu vollziehen. Das Verfahren läßt sich in dieser Weise beschleunigen und vereinfachen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische axiale Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils,
2 eine ausschnittsweise schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich der Dichtung,
3 eine ausschnittsweise schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich der Dichtung,
4 eine Prinzipdarstellung eines Herstellungsschrittes des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens in einer geschnittenen Seitenansicht und
5 eine Prinzipdarstellung des Herstellungsschrittes aus 4 in einer Vorderansicht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft beschrieben. Übereinstimmende Bauteile sind dabei in den Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Ein in 1 in einer axialen Schnittdarstellung gezeigtes erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil 1 dient insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
Ein kolbenförmiger Aktor 2, der vorzugsweise aus nicht näher dargestellten scheibenförmigen, piezoelektrischen oder magnetostriktiven Elementen aufgebaut ist, ist in einem hohlzylinderförmigen Gehäuse 5 angeordnet. In dem Gehäuse 5 befinden sich außerdem ein erster und zweiter lochscheibenförmiger Führungskörper 8 und 9, ein Aktorpin 3, eine Ventilnadel 20, ein Federelement 10 in Form einer Spiralfeder und eine wellrohrförmige Dichtung 7.
An der Ventilnadel 4 ist ein Ventilschließkörper 12 ausgebildet, der mit einer Ventilsitzfläche 11 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. In einem Ventilsitzkörper 14, der hier einteilig mit dem Gehäuse 5 ausgeführt ist, ist mindestens eine Abspritzöffnung 13 ausgebildet. Der Brennstoff wird druckbehaftet über eine seitlich im abspritzseitigen Teil des Gehäuses 5 ausgebildete Brennstoffzufuhr 6 zugeleitet.
An der der Abspritzöffnung 13 gegenüberliegenden Seite des Gehäuse 5 stützt sich der Aktor 2 ab. An der der Abspritzöffnung 13 zugewandten Seite des Aktor 2 ist der Aktorpin 3 angeordnet, welcher andererseits in Wirkverbindung mit der Ventilnadel 4 steht. Das Federelement 10 umschließt die Ventilnadel 4, stützt sich an der dem Aktor 2 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 5 ab und spannt die Ventilnadel 4 gegen den Aktorpin 3 und den Aktor 2 vor, wobei die Kraft des Federelements 10 so gerichtet ist, daß bei dem in diesem Ausführungsbeispiel nach außen öffnenden Brennstoffeinspritzventil 1 der Ventilschließkörper 12 in den Ventilsitzkörper 14 gezogen wird.
Der zweite Führungskörper 9 ist abspritzseitig des ersten Führungskörpers 8 angeordnet, wobei beide Führungskörper 8 und 9 zwischen dem Aktorpin 3 und dem Federelement 10 radial um die Ventilnadel 4 angeordnet sind.
Die aus einem Verbundwerkstoff bestehende, wellrohrförmige Dichtung 7 ist mit einem Ende hermetisch dicht an den ersten Führungskörper 8 gefügt, beispielsweise durch Laserschweißen. Das andere Ende der Dichtung 7 umschließt die durch die Dichtung 7 in axialer Richtung durchgreifende Ventilnadel 4 und ist mit ihr ebenfalls hermetisch dicht gefügt, beispielsweise durch Laserschweißen. Die Dichtung 7 ragt dabei in Richtung des zweiten Führungskörpers 9, wobei der druckbehaftet zugeführte Brennstoff die Dichtung 7 von außen mit Druck beaufschlagt.
Wird dem piezoelektrischen Aktor 2 über ein nicht dargestelltes, elektronisches Steuergerät und einen Steckkontakt eine elektrische Erregungsspannung zugeführt, dehnen sich die nicht näher dargestellten scheibenförmigen piezoelektrischen Elemente des Aktors 2 entgegen der Vorspannung des Federelements 10 aus und bewegen den Aktorpin 3 zusammen mit der Ventilnadel 4 in Abspritzrichtung, wodurch der Ventilschließkörper 12 von der Ventilsitzfläche 11 abhebt und Brennstoff durch die Abspritzöffnung 13 im Ventilsitzkörper 14 abgespritzt wird.
Der Hub des Aktors 2 kann durch eine nicht dargestellte Hubübersetzungseinrichtung vergrößert an die Ventilnadel 4 weitergegeben werden. Außerdem kann eine nicht dargestellte Ausgleichseinrichtung z. B. wärmebedingte Längenänderungen des Aktors 2 ausgleichen.
2 zeigt eine ausschnittsweise schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 im Bereich der Dichtung 7, ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel aus 1. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel aus 1 ist der Dichtung 7 eine lochscheibenförmige Membran 19 zugeordnet, welche zwischen dem ersten Führungskörper 8 und dem Aktorpin 3 die Ventilnadel 4 radial umschließt, an der Ventilnadel 4 hermetisch dicht gefügt ist und entlang des Außenumfangs der Membran 19 hermetisch dicht an der Innenwand des Gehäuses 5 befestigt ist. Die Membran 19 besteht aus Stahl und weist in diesem Ausführungsbeispiel im Querschnitt einen wellenförmigen Verlauf auf, der die Flexibilität der Membran 19 erhöht. Die Membran 19 erhöht die Dichtwirkung der Dichtung 7, wobei die Membran 19 hinsichtlich dieser Dichtwirkung so optimiert werden kann, daß sie keine Druckkräfte aus der Brennstoffzufuhr 6 aufnehmen muß. Die Dichtung 7 kann daher hinsichtlich dieser Druckkräfte optimiert werden. Ein zwischen der Dichtung 7 und der Membran 19 angeordneter Diffusionsraum 20 muß so groß bemessen sein, daß der während des Betriebs des Brennstoffeinspritzventils 1 durch die Dichtung 7 diffundierende Brennstoff den Diffusionsraum 20 nicht vollständig füllt.
3 zeigt eine ausschnittsweise schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 im Bereich der Dichtung 7, ähnlich dem zweiten Ausführungsbeispiel aus 2. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel aus 2 ragt die Dichtung 7 vom ersten Führungskörper 8 in Richtung Aktor 2. Der unter Druck zugeführte Brennstoff beaufschlagt die Dichtung 7 so von innen mit Druck. Die in diesem Ausführungsbeispiel schüsselförmig ausgebildete Membran 19 stülpt sich über die Dichtung 7 ohne sie dabei zu berühren und ist mit ihrem Rand an der dem Aktor 2 zugewandten Seite des ersten Führungskörpers 8 hermetisch dicht gefügt.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und kann z. B. auch für nach innen öffnende Brennstoffeinspritzventile verwendet werden.
4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Herstellungsschrittes des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens in einer geschnittenen Seitenansicht mit einer Innenform 15 und einer ersten Außenform 16. Die Darstellung zeigt außerdem die bereits ausgehärtete Dichtung 7 nach dem Öffnen der ersten Außenform 16 und einer hier nicht dargestellten zweiten Außenform 17. Die Dichtung 7 ist durch eine Strichlinie dargestellt.
5 zeigt eine Prinzipdarstellung des Herstellungsschrittes aus 4 in einer Vorderansicht. Die Darstellung zeigt die beiden Außenformen 16 und 17 sowie die Innenform 15 noch vor dem Aufbringen der zumindest einen ersten Komponente auf die Innenform 15.

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Aktor (2), und einer mit dem Aktor (2) in Wirkverbindung stehenden Ventilnadel (4), welche einen Ventilschließkörper (12) aufweist, der mit einer Ventilsitzfläche (11) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, wobei insbesondere zur Abdichtung innerhalb des Brennstoffeinspritzventils (1) zumindest eine faltenbalgförmige und axial flexible Dichtung (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (7) aus einem Verbundwerkstoff aus zumindest zwei Komponenten (18) besteht.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (7) aus den Komponenten (18) Kohlefaser und/oder Kunststofffaser und/oder Metall besteht.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Komponente (18) eine Gewebestruktur aufweist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (7) urgeformt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Dichtung (7) die Ventilnadel (4) radial umschließt und hermetisch dicht an der Ventilnadel (4) gefügt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Dichtung (7) hermetisch dicht an einen die Ventilnadel (4) führenden Führungskörper (8, 9) gefügt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (7) durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, gefügt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtung (7) eine Membran (19) zur dauerhaften hermetischen Abdichtung zugeordnet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruchs 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (19) zumindest teilweise aus Metall, insbesondere aus Stahl, besteht.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (19) die Ventilnadel (4) radial umschließt und hermetisch dicht an der Ventilnadel (4) gefügt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (7) und die Membran (19) durch einen Diffusionsraum (20) getrennt sind und diesen begrenzen.
Verfahren zur Herstellung einer faltenbalgförmigen und axial flexiblen Dichtung (7), insbesondere zum Einsatz in Brennstoffeinspritzventilen (1), mit folgenden in ihrer Reihenfolge nicht festgelegten Verfahrensschritten: – Aufbringen oder Positionieren zumindest einer ersten Komponente (18) auf eine Innenform (15) oder eine Außenform (16, 17) – Positionieren der Innenform (15) und/oder der Außenform (16, 17) – Schließen der Innenform (15) mit der Außenform (16, 17) unter Zwischenlage der zumindest einen ersten Komponente (18) – Einbringen zumindest einer zweiten Komponente zwischen die Innenform (15) und die Außenform (16, 17) – Aushärten des Verbundwerkstoffes, welcher durch die zumindest zwei Komponenten (18) gebildet ist – Öffnen der Außenform (16, 17) und – Trennen der durch den Verbundwerkstoff gebildeten Dichtung (7) von der Innenform (15).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Komponente (18) zeitgleich und/oder im gleichen Verfahrensschritt mit der zweiten Komponente ein- bzw. aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, das vor oder nach dem Einbringen der zweiten Komponente und/oder vor oder während des Aushärtens des Verbundwerkstoffes die Innenform (15) und die Außenform (16, 17) zusammengepreßt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Verfahrensschritte wenigstens teilweise unter Einwirkung von Wärme vollzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte Aushärten, Öffnen und/oder Trennen zumindest teilweise unter Einwirkung einer Kühlung vollzogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte mit einer ersten Komponente (18) aus Kohlefaser, Kunststofffaser oder Metall ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte mit einer ersten Komponente (18) mit einer Gewebestruktur ausgeführt werden.