DE19946603B4 - Brennstoffeinspritzventil mit kompensierenden Dichtelementen - Google Patents
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Abstract
Brennstoffeinspritzventil
(1), insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen
von Brennkraftmaschinen, mit einem von einer Aktorabdichtung gegen
einen Brennstoff abgedichteten piezoelektrischen oder magnetostriktiven
Aktor (15) und einem von dem Aktor (15) betätigbaren Ventilschließkörper (5),
der mit einer Ventilsitzfläche
(4) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Aktorabdichtung ein zuflußseitiges Dichtelement (25) und ein abspritzseitiges Dichtelement (26) umfaßt, die elastisch verformbar ausgeführt und mit einer Betätigungshülse (10) kraftschlüssig verbunden sind, und
daß der Aktor (15) über die Betätigungshülse (10) auf den Ventilschließkörper (5) einwirkt, wobei sich die durch den Brennstoffdruck des Brennstoffes erzeugten, über die Betätigungshülse (10) auf den Aktor (15) einwirkenden Kräfte zumindest teilweise kompensieren.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Aktorabdichtung ein zuflußseitiges Dichtelement (25) und ein abspritzseitiges Dichtelement (26) umfaßt, die elastisch verformbar ausgeführt und mit einer Betätigungshülse (10) kraftschlüssig verbunden sind, und
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Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
- Aus der
DE 40 05 455 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs bekannt. Das aus dieser Druckschrift bekannte Brennstoffeinspritzventil weist einen in einem Aktorraum angeordneten Aktor auf. Der Aktorraum ist mit einer aus einer Federmembran bestehenden Aktorabdichtung gegen einen Brennstoffraum des Brennstoffeinspritzventils, in den über einen Brennstoffeinlaß Brennstoff von hohem Druck gefüllt wird, abgedichtet. Der Brennstoffdruck des Brennstoffs lastet daher von der Seite des Brennstoffraums auf der Aktorabdichtung, so daß eine von der Querschnittsfläche der Aktorabdichtung abhängige Kraft auf den Aktor einwirkt. - Das aus der
DE 40 05 455 A1 bekannte Brennstoffeinspritzventil hat den Nachteil, daß die von dem Brennstoffdruck des Brennstoffs auf die Aktorabdichtung einwirkenden Kräfte vollständig auf den Aktor übertragen werden. Insbesondere bei Druckschwankungen treten dabei unkontrollierte mechanische Belastungen des Aktors auf, die zu einer Zerstörung des Aktormaterials und zu Hubschwankungen führen. - Ferner wird bei der Betätigung des Aktors entgegen der Druckkraft des Brennstoffs eine hohe Feldenergie in dem Aktor gespeichert, die bei einer Rückstellung des Aktors dissipiert, wodurch es zu einer Erhitzung des Aktors kommt, so dass geeignete Maßnahmen zu treffen sind, um einer Überhitzung des Aktors vorzubeugen.
- Aus den
DE 196 42 441 A1 ,DE 19716 226 A1 undDE 198 43 570 A1 sind jeweils Brennstoffeinspritzventile für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt, die mit einem piezoelektrischen Aktor betrieben werden. Dieser Aktor dient jeweils dazu, einen Ventilschließkörper, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, direkt oder indirekt zu betätigen und damit das Öffnen und Schließen des jeweiligen Ventils zu ermöglichen. Während bei den Ausführungen der Brennstoffeinspritzventile derDE 196 42 441 A1 undDE 19716 226 A1 die Piezoaktoren am dem Dichtsitz abgewandten Ende vorgesehen sind und die Verstellbewegung des bestromten piezoelektrischen Aktors unmittelbar auf einen Verstellkolben des Ventils übertragen wird, ist aus derDE 198 43 570 A1 ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das einen rohrförmigen Piezoaktor in zentraler Lage im Brennstoffeinspritzventil aufweist, der bei Erregung über einen Flansch auf einen Übersetzerkolben und letztlich auf eine ihn durchragende Ventilnadel einwirkt. Kraftausgeglichene Abdichtungen des Piezoaktors sind dabei nicht vorgesehen. - Vorteile der Erfindung
- Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass eine kraftausgeglichene Abdichtung des Aktors erreicht wird. Dadurch ist für die Betätigung des Brennstoffeinspritzventils nur eine geringe Aktorkraft erforderlich. Außerdem kompensieren sich Druckschwankungen des Brennstoffs, so dass Hubschwankungen vermieden werden.
- Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
- Vorteilhaft ist es, dass zumindest ein Dichtelement einen inneren Metallring, der mit der Betätigungshülse verbunden ist und einen äußeren Metallring, der zumindest mittelbar mit einem Ventilgehäuse des Brennstoffeinspritzventils verbunden ist, aufweist. Dadurch ist eine kraftschlüssige Verbindung gegeben, die einem hohen Brennstoffdruck des Brennstoffs standhält.
- In vorteilhafter Weise ist der innere Metallring mit einer umlaufenden Schweißnaht mit der Betätigungshülse verbunden. Vorteilhaft ist es ferner, dass der äußere Metallring mit einer umlaufenden Schweißnaht mit dem Ventilgehäuse verbunden ist. Dadurch sind einfach zu fertigende, stabile und formschlüssige Verbindungen gegeben, die zudem brennstoffresistent sind.
- Vorteilhaft ist es, dass das Dichtelement ein mit den Metallringen verbundenes Kunststoffelement aufweist. Dadurch ist eine einfache Fertigung des Dichtelements gegeben, bei der durch Wahl des Kunststoffelements das Dichtelement an den speziellen Einsatz des Brennstoffeinspritzventils angepasst werden kann. Zum Beispiel wird durch die Wahl eines elastisch verformbaren Kunststoffelements bei einer formschlüssigen Verbindung ein großer Aktorhub des Aktors ermöglicht.
- In vorteilhafter Weise ist das Kunststoffelement durch Vulkanisation mit den Metallringen verbunden. Dadurch ist eine formschlüssige Verbindung der Metallringe mit dem Kunststoffelement gegeben, die fertigungstechnisch einfach zu realisieren ist.
- Vorteilhaft ist es, dass zumindest ein Dichtelement eine Membran aufweist. Dadurch werden große Verstellbewegungen ermöglicht.
- In vorteilhafter Weise ist durch eine Differenz der Querschnittsflächen der Dichtelemente eine vollständige Kompensation der über die Betätigungshülse auf den Aktor einwirkenden Kräfte erreicht. Da sich die von einem Dichtelement auf die Betätigungshülse übertragene Kraft im wesentlichen aus dem Produkt des Brennstoffdrucks mit der Querschnittsfläche des Dichtelements ergibt, kann bei gleichbleibender Querschnittsfläche der Betätigungshülse die übertragene Kraft durch Variation der Querschnittsfläche des Dichtelements verändert werden. Auf diese Weise lässt sich ein an der Betätigungshülse angreifendes Kräftegleichgewicht herstellen.
- Vorteilhaft ist es, dass die Betätigungshülse eine Aussparung aufweist, die Teil einer von einem Brennstoffeinlass des Brennstoffeinspritzventils zu dem Dichtsitz führenden Brennstoffleitung ist. Dadurch dient die Aktorabdichtung auch als Teil einer Brennstoffleitung, wodurch sich Bauteile einsparen lassen und sich ein kompakterer Aufbau des Brennstoffeinspritzventils ergibt.
- In vorteilhafter Weise liegt eine Stirnseite des Aktors an einem Bund der Betätigungshülse an. Vorteilhaft ist es ferner, daß eine Stirnseite des Aktors an einem Bund des Ventilgehäuses anliegt. Dadurch ist eine vorteilhafte Kraftübertragung des Aktors über die Aktorabdichtung auf die Ventilnadel gegeben.
- Zeichnung
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 einen axialen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils. - Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
1 zeigt in einer auszugsweisen axialen Schnittdarstellung ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil1 . In diesem Ausführungsbeispiel ist das Brennstoffeinspritzventil1 als innenöffnendes Brennstoffeinspritzventil1 ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil1 dient insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff, insbesondere von Benzin, in einen Brennraum einer gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine als sogenanntes Benzindirekteinspritzventil. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle. - Das Brennstoffeinspritzventil
1 weist ein Ventilgehäuse2 , das mit einem Ventilsitzkörper3 verbunden ist, auf. An dem Ventilsitzkörper3 ist eine Ventilsitzfläche4 ausgebildet, die mit einem Ventilschließkörper5 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Der Ventilschließkörper5 wird von einer Ventilnadel6 betätigt, die in diesem Ausführungsbeispiel einteilig mit dem Ventilschließkörper5 verbunden ist. Das Ventilgehäuse2 ist außerdem mit einer Gehäuseplatte7 verbunden, die eine Aussparung8 aufweist, wodurch ein endseitiger Brennstoffeinlaß9 gebildet ist. - Die Ventilnadel
6 ist mit einer Betätigungshülse10 verbunden, die eine längliche Aussparung11 aufweist, die Teil einer von dem Brennstoffeinlaß9 des Brennstoffeinspritzventils1 zu dem aus der Ventilsitzfläche4 und dem Ventilschließkörper5 gebildeten Dichtsitz führenden Brennstoffleitung ist, wobei durch Bohrungen12a ,12b ein Zufluß von Brennstoff aus der Aussparung11 in eine Brennstoffvorkammer13 ermöglicht ist. - In einem Aktorraum
14 des Ventilgehäuses2 des Brennstoffeinspritzventils1 ist ein z. B. piezoelektrischer oder magnetostriktiver Aktor15 angeordnet, der sich mit einer ersten Stirnseite16 an einem ersten Bund17 des Ventilgehäuses2 und mit einer zweiten Stirnseite18 an einem Bund19 der Betätigungshülse10 abstützt. Der Aktor15 weist eine mittige Aussparung20 auf, durch die sich die Betätigungshülse10 erstreckt. - Der Aktor
15 wird von einer Schließfeder21 , die sich ebenfalls in dem Aktorraum14 befindet, mit einer Vorspannung beaufschlagt. Die Schließfeder21 stützt sich einerseits an einem zweiten Bund22 des Ventilgehäuses2 und andererseits an dem Bund19 der Betätigungshülse10 ab. Durch die Vorspannung der Schließfeder21 wird außerdem der Ventilschließkörper5 in die Ventilsitzfläche4 des Ventilsitzkörpers3 gepreßt. - Die Betätigungshülse
10 ist über ein zuflußseitiges Dichtelement25 und ein abspritzseitiges Dichtelement26 mit dem Ventilgehäuse2 verbunden. Das zuflußseitige Dichtelement25 weist einen inneren Metallring27 , der mit der Betätigungshülse10 mittels einer umlaufenden Schweißnaht28 verbunden ist, einen äußeren Metallring29 , der mittels einer umlaufenden Schweißnaht30 mit dem Ventilgehäuse2 verbunden ist, und ein mit den Metallringen27 ,29 durch Vulkanisation verbundenes Kunststoffelement31 auf. Das abspritzseitige Dichtelement26 ist wie das zuflußseitige Dichtelement25 aufgebaut und weist daher einen inneren Metallring32 , einen äußeren Metallring33 und ein Kunststoffelement34 auf und ist über die Schweißnähte35 ,36 mit der Betätigungshülse10 und dem Ventilgehäuse2 verbunden. - Die Dichtelemente
25 ,26 bilden mit der Betätigungshülse10 eine Aktorabdichtung, die den Aktorraum14 und damit den Aktor15 gegen den Brennstoff abdichtet. Dabei wirkt der Brennstoffdruck des Brennstoffs in einer zulaufseitigen Brennstoffkammer37 auf das Dichtelement25 ein, und ein Brennstoffdruck des Brennstoffes in der Brennstoffvorkammer13 wirkt auf das Dichtelement26 ein. Dadurch überträgt das Dichtelement25 eine in eine Abspritzrichtung40 gerichtete Kraft auf die Betätigungshülse10 , und das Dichtelement26 überträgt eine dieser Kraft entgegengerichtete Kraft auf die Betätigungshülse10 , wobei sich die beiden Kräfte vollständig kompensieren. Durch den auf eine Innenfläche41 der Betätigungshülse10 einwirkenden Brennstoffdruck wird eine weitere Kraft, die in Abspritzrichtung40 gerichtet ist, auf die Betätigungshülse10 übertragen. Dieser Kraft wirkt eine durch den an einer unteren Stirnseite42 der Betätigungshülse10 angreifenden Brennstoffdruck erzeugte Kraft entgegen, wobei die Fläche der Stirnseite42 um die durch den Sitzdurchmesser d gegebene Querschnittsfläche kleiner als die Innenfläche41 ist. Dabei wird in diesem Ausführungsbeispiel durch den Druck des Brennstoffs an der Ventilnadel6 keine Kraftkomponente entlang der Abspritzrichtung40 erzeugt, da die Ventilnadel6 im Bereich der Brennstoffvorkammer13 einen konstanten Querschnitt aufweist. Es ergibt sich daher eine hydraulische Schließkraft, die durch die durch den Sitzdurchmesser gegebene Querschnittsfläche und den Brennstoffdruck gegeben ist und in Abspritzrichtung40 wirkt. - Wird das Ventilgehäuse
2 des Brennstoffeinspritzventils1 im Bereich43 des abspritzseitigen Dichtelements26 verbreitert und dabei der Außendurchmesser des Dichtelements26 vergrößert, so kann die von dem Dichtelement26 entgegen der Abspritzrichtung40 auf die Betätigungshülse10 übertragene Kraft vergrößert werden. Wird das Ventilgehäuse2 im Bereich44 des zuflußseitigen Dichtelements25 mit verringertem Durchmesser ausgebildet, so kann die von dem Dichtelement25 auf die Betätigungshülse10 in Abspritzrichtung40 übertragene Kraft verringert werden. Wird zumindest eine dieser Maßnahmen durchgeführt, so ergibt sich eine Differenz der Querschnittsflächen25 ,26 , wodurch eine vollständige Kompensation der über die Betätigungshülse10 auf den Aktor15 einwirkenden Kräfte erreicht werden kann. Soll z. B. die oben behandelte hydraulische Schließlast kompensiert werden, so ist zumindest eine der Querschnittsflächen der Dichtelemente25 ,26 so zu verändern, daß die Querschnittsfläche des zuflußseitigen Dichtelements25 um die durch den Sitzdurchmesser d gegebene Querschnittsfläche kleiner als die Querschnittsfläche des abspritzseitigen Dichtelements26 ist. Es ist außerdem möglich, durch eine Differenz der Querschnittsflächen der Dichtelemente25 ,26 den Aktor15 mit einer Vorspannung zu beaufschlagen. - Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere eignet sich die Erfindung auch für ein außenöffnendes Brennstoffeinspritzventil
1 . Außerdem können die Dichtelemente25 ,26 auch als O-Ringe, Quadringe, Membranen oder Gleitringe ausgebildet sein.
Claims (12)
- Brennstoffeinspritzventil (
1 ), insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem von einer Aktorabdichtung gegen einen Brennstoff abgedichteten piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (15 ) und einem von dem Aktor (15 ) betätigbaren Ventilschließkörper (5 ), der mit einer Ventilsitzfläche (4 ) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktorabdichtung ein zuflußseitiges Dichtelement (25 ) und ein abspritzseitiges Dichtelement (26 ) umfaßt, die elastisch verformbar ausgeführt und mit einer Betätigungshülse (10 ) kraftschlüssig verbunden sind, und daß der Aktor (15 ) über die Betätigungshülse (10 ) auf den Ventilschließkörper (5 ) einwirkt, wobei sich die durch den Brennstoffdruck des Brennstoffes erzeugten, über die Betätigungshülse (10 ) auf den Aktor (15 ) einwirkenden Kräfte zumindest teilweise kompensieren. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Dichtelement (
25 ,26 ) einen inneren Metallring (27 ,32 ), der mit der Betätigungshülse (10 ) verbunden ist, und einen äußeren Metallring (29 ,33 ), der zumindest mittelbar mit einem Ventilgehäuse (2 ) des Brennstoffeinspritzventils (1 ) verbunden ist, aufweist. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Metallring (
27 ,32 ) mit einer umlaufenden Schweißnaht (28 ,35 ) mit der Betätigungshülse (10 ) verbunden ist. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Metallring (
29 ,33 ) mit einer umlaufenden Schweißnaht (30 ,36 ) mit dem Ventilgehäuse (2 ) verbunden ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (
25 ,26 ) ein mit den Metallringen (27 ,29 ,32 ,33 ) verbundenes Kunststoffelement (31 ,34 ) aufweist. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffelement (
31 ,34 ) durch Vulkanisation mit den Metallringen (27 ,29 ,32 ,33 ) verbunden ist. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Dichtelement (
25 ,26 ) eine Membran aufweist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Differenz der Querschnittsflächen der Dichtelemente (
25 ,26 ) eine vollständige Kompensation der über die Betätigungshülse (10 ) auf den Aktor (15 ) einwirkenden Kräfte erreicht ist. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kompensieren einer hydraulischen Schließkraft die Querschnittsfläche des zuflußseitigen Dichtelementes (
25 ) um die durch den Sitzdurchmesser (d) gegebene Querschnittsfläche kleiner als die Querschnittsfläche des abspritzseitigen Dichtelementes (26 ) ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungshülse (
10 ) eine Aussparung (11 ) aufweist, die Teil einer von einem Brennstoffeinlaß (9 ) des Brennstoffeinspritzventils (1 ) zu dem Dichtsitz führenden Brennstoffleitung ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stirnseite (
18 ) des Aktors (15 ) an einem Bund (19 ) der Betätigungshülse (10 ) anliegt. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stirnseite (
16 ) des Aktors (15 ) an einem Bund (17 ) des Ventilgehäuses (2 ) anliegt.
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