DE602004003896T2

DE602004003896T2 - Flüssigkeitseinspritzventil und sein Herstellungverfahren

Info

Publication number: DE602004003896T2
Application number: DE602004003896T
Authority: DE
Inventors: Luca Matteucci; Raffaele Squarcini
Original assignee: Siemens VDO Automotive SpA
Current assignee: Continental Automotive Italy SpA
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: US7832656B2; JP2007518925A; DE602004003896D1; US20080257990A1; EP1561942B1; WO2005075816A1; EP1561942A1; CN1926327A; CN100419252C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluideinspritzventil und ein Verfahren zur Herstellung eines Fluideinspritzventil. Bekannte Fluideinspritzventile umfassen ein Gehäuse, einen Ventilkörper und eine Betätigungseinheit, die in das Gehäuse eingesetzt ist. Der Ventilkörper umfasst eine Patrone mit einer Ausnehmung, die eine Nadel aufnimmt. Auf einem Körper, der an der Nadel befestigt ist, liegt eine vorgespannte Feder auf. Andererseits liegt die vorgespannte Feder auf einer Federauflage auf, die in dem Ventilkörper ausgebildet ist. Zusätzlich dazu wirkt die Betätigungseinheit auf die Nadel ein. Abhängig von dem Kräftegleichgewicht der Betätigungseinheit und der Rückdruckfeder öffnet oder schließt die Nadel eine Düse und steuert auf diese Weise die Einspitzung des Kraftstoffs. In einer zunehmenden Anzahl von Anwendungszwecken werden Betätigungseinheiten mit einem piezoelektrischen Aktor verwendet. Diese weisen den Vorteil auf, dass sie eine sehr schnelle Ansprechzeit auf Betätigungssignale aufweisen und demgemäß während eines Arbeitstaktes des Zylinders mehrere Einspritzungen in einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine ermöglichen.
In WO 03/016707 A1 ist ein Fluideinspritzventil mit einem Verbinder zu einer Kraftstoffversorgung, einem Gehäuse, einer Betätigungseinheit und einem Ventilkörper offenbart. Das Gehäuse ist doppelrohrig und weist eine Ausnehmung auf, welche die Betätigungseinheit aufnimmt. Die Betätigungseinheit umfasst einen piezoelektrischen Aktor, der auf die Nadel ein wirkt. Zwischen den Wänden des doppelrohrig geformten Gehäuses wird der Kraftstoff von dem Verbinder zu einem Kraftstoffeinlass des Ventilkörpers geführt. Der Ventilkörper weist ein Gehäuseteil mit einer Ausnehmung auf, die eine Nadel aufnimmt. Abhängig von der Stellung der Nadel wird eine Düse geöffnet oder geschlossen, und es wird jeweils Fluid eingespritzt oder nicht.
US 2986342 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil, das im Fertigungsstadium eingestellt werden kann.
Durch die zunehmend strengen gesetzlichen Bestimmungen zu den Emissionen von Verbrennungskraftmaschinen, an denen ein Kraftstoffeinspritzventil angeordnet werden kann, muss viel Mühe in Maßnahmen investiert werden, mit denen die Emissionen vermindert werden. Sehr wichtig für die Vermeidung von Abgasemissionen ist, dass das Fluid genau zugemessen werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fluideinspritzventil und ein Verfahren zur Herstellung des Fluideinspritzventils zu schaffen, das auf einfache Weise die Kalibrierung des Fluideinspritzventils ermöglicht.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Hauptansprüche erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung bezüglich des Fluideinspritzventils unterscheidet sich von einem Fluideinspritzventil mit einem Gehäuse, einem Ventilkörper und einer Betätigungseinheit dadurch, dass es in das Gehäuse eingesetzt ist. Der Ventilkörper umfasst eine Patrone mit einer Ausnehmung, die eine Nadel aufnimmt. Der Ventilkörper umfasst des Weiteren einen Hohlkörper, der in einer festen Position zu der Nadel angeordnet ist und eine erste Federauflage bildet. Der Ventilkörper umfasst des Weiteren eine Ventilkappe, welche die Patrone aufnimmt und eine zweite Federauflage bildet. Eine Rückdruckfeder liegt einerseits auf der ersten Federauflage und andererseits auf der zweiten Federauflage auf. Die Ventilkappe, das Gehäuse und die Patrone sind derart ausgebildet, dass die Ventilkappe relativ zu dem Gehäuse und der Patrone bewegbar ist, während das Gehäuse und die Patrone in einer festen Position relativ zueinander bleiben, bevor die Ventilkappe und das Gehäuse sowie die Ventilkappe und die Patrone dauerhaft aneinander befestigt werden. Durch Bewegen der Ventilkappe relativ zu dem Gehäuse und der Patrone kann die Vorspannung der Rückdruckfeder leicht eingestellt werden, und auf diese Weise können die Fluidströmungseigenschaften des Fluideinspritzventils leicht kalibriert werden.
Die Erfindung bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Fluideinspritzventils unterscheidet sich des Weiteren durch die Schritte des Kalibrierens der Fluidströmungseigenschaften des Fluideinspritzventils durch Bewegen der Ventilkappe und dauerhaftes Befestigen der Ventilkappe an dem Gehäuse und an der Patrone nach dem Kalibrieren. Auf diese Weise kann man die Vorspannung der Rückdruckfeder während des Kalibrierungsvorgangs ändern, ohne das Fluideinspritzventil ausbauen zu müssen. Wenn die Ventilkappe während des Kalibrierungsvorgangs relativ zu dem Gehäuse und der Patrone in einer Übergangsrichtung ohne Drehbewegung bewegt wird, kann leicht sichergestellt werden, dass die Drehstellung der Nadel und der Patrone die gleichen bleiben. Dadurch wird gesichert, dass Bereiche der Nadel und der Patrone, die mit einem Schleifvorgang in Ausrichtung gebracht wurden, ausgerichtet bleiben und dadurch während des Betriebs des Fluideinspritzventils keine Kohleablagerung entstehen kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Fluideinspritzventils umfasst die Ventilkappe ein erstes Dichtelement, welches die Verbindung zwischen der Ventilkappe und der Patrone abdichtet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass in dem Bereich der Verbindung zwischen der Ventilkappe und der Patrone praktisch keine Undichtheit auftritt, bevor die Ventilkappe dauerhaft an dem Gehäuse und der Patrone befestigt wird. Auf diese Weise lässt sich der Kalibrierungsvorgang für das Fluideinspritzventil ziemlich genau ausführen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Fluideinspritzventils umfasst das Gehäuse ein zweites Dichtelement, welches die Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Patrone abdichtet. Auf diese Weise kann leicht sichergestellt werden, dass in dem Bereich der Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Ventilkappe praktisch keine Undichtheit auftritt, bevor die Ventilkappe dauerhaft an dem Gehäuse befestigt wird. Auf diese Weise lässt sich der Kalibrierungsvorgang für das Fluideinspritzventil ziemlich genau ausführen. Zusätzlich dazu braucht vielleicht keine Abdichtung der Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Ventilkappe durch den dauerhaften Befestigungsvorgang vorgesehen zu werden, der beispielsweise ein Schweißvorgang ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Fluideinspritzventils umfasst die Ventilkappe ein Gewinde, und das Gehäuse umfasst ein entsprechendes Gewinde, und die Ventilkappe ist in das Gewinde des Gehäuses eingeschraubt. Auf diese Weise lässt sich die Axialposition der Ventilkappe relativ zu dem Gehäuse während des Kalibrierungsvorgangs genau verändern. In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, wenn die Patrone und vorzugsweise das Gehäuse während des Kalibrierungsvorgangs mit einem Werkzeug in ihrer Drehstellung befestigt werden. Auf diese Weise lässt sich leicht sicherstellen, dass die Drehstellung der Nadel und der Patrone die gleiche bleiben. Dadurch ist sichergestellt, dass Bereiche der Nadel und der Patrone, die durch einen Schleifvorgang in Ausrichtung gebracht wurden, ausgerichtet bleiben und dadurch während des Betriebs des Fluideinspritzventils keine Kohleablagerung entstehen kann.
Im Folgenden sind beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Hilfe schematischer Zeichnungen erläutert. Das sind folgende:
1 Fluideinspritzventil
2 Teile des nicht zusammengefügten Fluideinspritzventils gemäß 1 und
3 eine andere Ausführungsform des Fluideinspritzventils gemäß 1.
Elemente mit der gleichen Konstruktion und Funktion, die in verschiedenen Darstellungen auftreten, sind mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein Fluideinspritzventil (1), das als Fluideinspritzventil für eine Verbrennungskraftmaschine verwendet wird, umfasst ein Gehäuse 1, einen Ventilkörper 2, eine Betätigungseinheit 3, einen Kraftstoffverbinder 4 und einen Wärmekompensator 5. Der Kraftstoffverbinder 4 kann mit einer Hochdruck-Kraftstoffkammer der Verbrennungskraftmaschine verbunden werden, in welcher Kraftstoff unter hohem Druck, beispielsweise unter einem Druck von etwa 200 Bar, gespeichert ist.
Das Gehäuse 1 weist eine rohrförmige Gestalt auf. Der Kraftstoffverbinder 4 ist an einem der freien Enden des Gehäuse 1 an dem Gehäuse 1 befestigt. Der Wärmekompensator 5 ist in das Gehäuse 1 eingesetzt und steht mit der Betätigungseinheit 3 in Kontakt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Betätigungseinheit 3 einen Piezoaktor, der abhängig von einem an diesen angelegten Steuersignal seine Axiallänge ändert. Jedoch kann die Betätigungseinheit 3 auch eine andere Art eines Aktors umfassen, die dem Fachmann für diesen Zweck bekannt ist. Ein solcher Aktor kann beispielsweise ein Solenoid sein.
Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst des Weiteren den Ventilkörper 2. Der Ventilkörper 2 umfasst eine Patrone 21 mit einer Ausnehmung 211, die in Axialrichtung durch die Patrone 21 hindurch geführt ist. In der Ausnehmung 211 der Patrone 21 ist eine Nadel 22 aufgenommen. An einem ihrer freien Enden der Ausnehmung 211 ist eine Einspritzdüse 213 ausgebildet, die abhängig von der Axialposition der Nadel 22 geschlossen oder geöffnet ist.
Der Ventilkörper 2 umfasst des Weiteren einen Hohlkörper 23, der vorzugsweise dauerhaft, beispielsweise durch Anquetschen, an der Nadel befestigt ist. Der Hohlkörper 23 bildet eine erste Federauflage 231 für eine Rückdruckfeder 25. Eine Ventilkappe 26 bildet eine zweite Federauflage 261. Die Rückdruckfeder 25 ist zwischen der ersten und der zweiten Federauflage 231, 261 vorgespannt. Die Weise, in welcher die Rück druckfeder 25 vorgespannt wird, ist im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Die Ventilkappe 26 nimmt – zumindest zum Teil – die Patrone 21 auf. Wenn das Fluideinspritzventil vollständig zusammengefügt ist, sind die Patrone 21 und die Ventilkappe 26 dauerhaft aneinander befestigt. Sie sind vorzugsweise durch Schweißen, vorzugsweise durch Laserschweißen, aneinander befestigt. Dagegen ist die Ventilkappe 26 an dem Gehäuse 1 befestigt. Diese Befestigung wird vorzugsweise durch Schweißen, vorzugsweise durch Laserschweißen, zustande gebracht.
Von dem Kraftstoffverbinder 4 wird Kraftstoff um die Betätigungseinheit 3 herum zu der Einspritzdüse 213 hin geführt. Die Axialposition der Nadel 22, die festlegt, ob die Einspritzdüse 213 offen oder geschlossen ist, hängt von einem Kräftegleichgewicht zwischen der Rückdruckfeder 25 und der Betätigungseinheit 3 ab. Das Fluideinspritzventil ist als normalerweise geschlossen ausgelegt, was heißt, dass die Nadel in ihre Aufnahme gedrückt ist, wenn keine Steuersignale an die Betätigungseinheit 3 angelegt sind, und dadurch die Einspritzdüse 213 schließt. Wenn an die Betätigungseinheit ein jeweiliges Steuersignal angelegt wird, ändert diese ihre Axiallänge und steuert auf diese Weise, ob die Einspritzdüse 213 durch die Nadel 22 geöffnet oder geschlossen wird.
Während des Fertigungsvorgangs für das Fluideinspritzventil werden der Kraftstoffverbinder 4, der Wärmekompensator 5 und die Betätigungseinheit 3 in das Gehäuse 1 eingesetzt. Die Nadel 22 wird in die Ausnehmung 211 der Patrone 21 eingesetzt. Danach wird der Hohlkörper 23 in einer gegebenen Axialposition an der Nadel 22 befestigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Hohlkörper 23 an der Nadel 22 angequetscht. Die Rückdruckfeder 25 wird auf den Hohlkörper 23 gedrückt und liegt auf der ersten Federauflage 231 des Hohlkörpers auf. Die Nadel 22 wird mit der Betätigungseinheit 3 in Kontakt gebracht. Vorzugsweise wird ein Faltenbalg an einem ihrer freien Enden an die Betätigungseinheit 3 und an dem anderen freien Ende an die Nadel 22 angeschweißt. Danach wird die Ventilkappe 26 über die Patrone 21 geschoben, bis sie an eine gegebene Axialposition relativ zu der Patrone 21 gelangt, in der sie auf einer Führung 11 des Gehäuses 1 sitzt. Dann kann sie relativ zu dem Gehäuse 1 und der Patrone 21 in Axialrichtung bewegt werden, während das Gehäuse 1 und die Patrone 21 in einer festen Position relativ zueinander bleiben. Zwischen der Ventilkappe 26 und der Patrone 21 kann eine sehr feste Verbindung zustande gebracht werden, wenn die Ventilkappe 26 ein erstes Dichtelement 27 umfasst, das vorzugsweise ein O-Ring ist. Das erste Dichtelement 27 dichtet die Verbindung zwischen der Ventilkappe 26 und der Patrone 21 in dem Bereich ab, in welchem die Ventilkappe 26 und die Patrone 21 miteinander in Kontakt stehen. Zusätzlich dazu ist in dem Gehäuse im Bereich der Führung 11 ein zweites Dichtelement 28 angeordnet. Auf diese Weise wird die Verbindung zwischen dem Gehäuse 1 und der Ventilkappe 26 fest abgedichtet.
In einem nächsten Schritt wird das Fluideinspritzventil mit einer Fluidversorgung verbunden und wird mit Fluid, insbesondere mit Kraftstoff, unter einem gegebenen Druck versorgt. Dann kann die Betätigungseinheit 3 mit jeweiligen Steuersignalen gespeist werden, und es kann die Fluidmenge gemessen werden, die von dem Fluideinspritzventil zugemessen wird. Wenn die tatsächlich zugeführte Fluidmenge nicht der beabsichtigten Menge des zugeführten Fluids entspricht, wird die Axialposition der Ventilkappe geändert. Danach wird die Betätigungseinheit 3 wieder mit Steuersignalen gespeist, und die dann von dem Fluideinspritzventil zugemessene Fluidmenge wird erneut gemessen und mit einer Fluidsollmenge verglichen. Diese Schritte werden wiederholt, bis das Fluideinspritzventil die richtige Fluidmenge zumisst, indem anschließend die Axialposition der Ventilkappe 26 geändert wird. Durch Änderung der Axialposition der Ventilkappe 26 wird die Vorspannung der Rückdruckfeder 25 eingestellt, und auf diese Weise werden die Fluidströmungseigenschaften des Fluideinspritzventils kalibriert.
Alternativ zur Messung des tatsächlich zugemessenen Fluids und zum Vergleich desselben mit einer Fluidsollmenge können auch andere physikalische Eigenschaften der Fluideinspritzventile gemessen und während des Kalibrierungsvorgangs mit jeweiligen Sollwerten verglichen werden.
Während des Kalibrierungsvorgangs wird die Ventilkappe 26 relativ zu dem Gehäuse 1 und der Patrone 21 in einer Übergangsrichtung ohne Drehbewegung relativ zu der Patrone 21 und vorzugsweise zu dem Gehäuse 1 bewegt. Auf diese Weise wird wirksam verhindert, dass die Nadel 22 und die Patrone 21 ihre relative Drehstellung zueinander ändern. Diese relative Drehstellung soll gehalten werden, da die Patrone 21 und die Nadel vorzugsweise in einem vorhergehenden Schritt des Fertigungsverfahrens zusammen geschliffen wurden, um sicherzustellen, dass die äußere kegelförmige Kontur der Nadel und die Patrone genau ausgerichtet sind. Dadurch wird das Entstehen von Kohleablagerung verhindert, und eine relative Drehbewegung zwischen der Nadel 22 und der Patrone 21 könnte dazu führen, dass Bereiche der kegelförmigen äußeren Bereiche nicht mehr ausgerichtet sind, wodurch dann das Entstehen von Kohleablagerung unterstützt würde.
Nachdem die Fluidströmungseigenschaften des Fluideinspritzventils kalibriert sind, wird die Ventilkappe 26 dauerhaft an dem Gehäuse und an der Patrone befestigt. Das wird vorzugsweise durch Schweißen, vorzugsweise durch Laserschweißen, zustande gebracht. Der Schweißvorgang kann derart sein, dass mit ihm die Verbindung zwischen der Ventilkappe 26 und dem Gehäuse 1 und jeweils der Patrone 21 fest abgedichtet wird, oder alternativ nur Teile des Umfangs miteinander verschweißt werden können, wenn bereits durch die Dichtelemente 27 und/oder 28 eine langlebige, feste Dichtung sichergestellt werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Fluideinspritzventils (3) umfasst die Ventilkappe 26 ein Gewinde 262, und das Gehäuse 1 umfasst ein entsprechendes Gewinde 12, und die Ventilkappe 26 ist in das Gewinde 12 des Gehäuses 1 geschraubt.
Während des Kalibrierungsvorgangs wird die Ventilkappe 26 relativ zu dem Gehäuse 1 und der Patrone 21 in einer Übergangsrichtung bewegt, indem die Ventilkappe 26 in das Gehäuse 1 geschraubt wird. Während des Kalibrierungsvorgangs werden vorzugsweise die Patrone und vorzugsweise das Gehäuse mit einem Werkzeug in ihrer Drehstellung befestigt. Auf diese Weise wird wirksam verhindert, dass die Nadel 22 und die Patrone 21 ihre relative Drehstellung zueinander ändern. Diese relative Drehstellung soll gehalten werden, da die Patrone 21 und die Nadel vorzugsweise in einem vorhergehenden Schritt des Fertigungsverfahrens zusammen geschliffen wurden, um sicherzustellen, dass die äußere kegelförmige Kontur der Nadel und die Patrone genau ausgerichtet sind. Das Fertigungsverfahren entspricht jeweils demjenigen für die erste Ausführungsform des Fluideinspritzventils.
Bei einer einfachen Ausführungsform des Fluideinspritzventils kann auf das erste und/oder das zweite Dichtelement 27, 28 verzichtet werden, wenn das Gehäuse 1, die Patrone 21 und die Ventilkappe 26 derart genau hergestellt werden, dass gesichert ist, dass auch ohne das erste und das zweite Dichtelement 27, 28 praktisch keine Undichtheit durch die Verbindungen hindurch besteht. Diese können auch weggelassen werden, wenn während des Kalibrierungsvorgangs eine kleine Fluidundichtheit hingenommen wird. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Patrone 21 das erste Dichtelement 27, und/oder die Ventilkappe 26 umfasst das zweite Dichtelement 28.

1: Gehäuse
2: Ventilkörper
3: Betätigungseinheit
4: Kraftstoffverbinder
5: Wärmekompensator
11: Führung
12: Gewinde
21: Patrone 21
211: Ausnehmung
213: Einspritzdüse
22: Nadel
23: Hohlkörper
231: erste Federauflage
24: Rückdruckfeder
26: Ventilkappe 26
261: zweite Federauflage
262: Gewinde
27: erstes Dichtelement
28: zweites Dichtelement

Claims

Fluideinspritzventil mit einem Gehäuse (1), einem Ventilkörper (2) und einer Betätigungseinheit (3), das in das Gehäuse eingesetzt ist, wobei der Ventilkörper (2) eine Patrone (21) mit einer Ausnehmung (211), die eine Nadel (22) aufnimmt, einen Hohlkörper (23), der in einer festen Position zu der Nadel (22) angeordnet ist und eine erste Federauflage (231) bildet, eine Ventilkappe (26), welche die Patrone (21) aufnimmt und eine zweite Federauflage (261) bildet, und eine Rückdruckfeder (25) umfasst, die einerseits auf der ersten Federauflage (231) und andererseits auf der zweiten Federauflage (231) aufliegt, wobei die Ventilkappe (26), das Gehäuse (1) und die Patrone (21) derart ausgebildet sind, dass die Ventilkappe (26) relativ zu dem Gehäuse (1) und der Patrone (21) bewegbar ist, während das Gehäuse (1) und die Patrone (21) in einer festen Position relativ zueinander bleiben, bevor die Ventilkappe (26) und das Gehäuse (1) sowie die Ventilkappe (26) und die Patrone (21) dauerhaft aneinander befestigt werden.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 1, wobei die Ventilkappe (26) oder die Patrone (21) ein erstes Dichtelement (27) umfasst, welches die Verbindung zwischen der Ventilkappe (26) und der Patrone (21) abdichtet.
Fluideinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (1) oder die Ventilkappe (26) ein zweites Dichtelement (28) umfasst, welches die Verbindung zwischen dem Gehäuse (1) und der Ventilkappe (26) abdichtet.
Fluideinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventilkappe (26) ein Gewinde (262) umfasst und das Gehäuse (1) ein entsprechendes Gewinde (12) umfasst und die Ventilkappe (26) in das Gewinde des Gehäuses eingeschraubt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Fluideinspritzventils mit einem Gehäuse (1), einem Ventilkörper (2) und einer Betätigungseinheit (3), die in das Gehäuse (1) eingesetzt ist, wobei der Ventilkörper (2) eine Patrone (21) mit einer Ausnehmung (211), die eine Nadel (22) aufnimmt, einen Hohlkörper (23), der in einer festen Position zu der Nadel (22) angeordnet ist und eine erste Federauflage (231) bildet, eine Ventilkappe (26), welche die Patrone (21) aufnimmt und eine zweite Federauflage (261) bildet, und eine Rückdruckfeder (25) umfasst, die einerseits auf der ersten Federauflage (231) und andererseits auf der zweiten Federauflage (231) aufliegt, wobei die Ventilkappe (26), das Gehäuse (1) und die Patrone (21) derart ausgebildet sind, dass die Ventilkappe (26) relativ zu dem Gehäuse (1) und der Patrone (21) bewegbar ist, während das Gehäuse (1) und die Patrone (21) in einer festen Position relativ zueinander bleiben, bevor die Ventilkappe (26) und das Gehäuse (1) sowie die Ventilkappe (26) und die Patrone (21) dauerhaft aneinander befestigt werden, mit den folgenden Schritten: – Kalibrieren der Fluidströmungseigenschaften des Fluideinspritzventils durch Bewegen der Ventilkappe (26), und anschließend – Dauerhaftes Befestigen der Ventilkappe (26) an dem Gehäuse (1) und an der Patrone (21).