DE60204454T2

DE60204454T2 - Dosiervorrichtung mit hydraulischem Ring

Info

Publication number: DE60204454T2
Application number: DE60204454T
Authority: DE
Inventors: Fabrizio Biagetti; Alessandro Cini; Luca Matteucci
Original assignee: Siemens VDO Automotive SpA
Current assignee: Continental Automotive Italy SpA
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: EP1391609B1; DE60204454D1; EP1391609A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zumeßvorrichtung zum Dosieren von unter Druck stehenden Fluids, insbesondere ein Einspritzventil für ein Treibstoffeinspritzsystem in einer Verbrennungskraftmaschine. Die Zumeßvorrichtung ist von der Art, welche einen Ventilkörper umfaßt, der einen Fluidkanal für das zu dosierende, unter Druck stehende Fluid enthält, wobei der Fluidkanal mit einer Zumeßöffnung endet, dazu eine axial bewegbare, durch den Fluidkanal verlaufende Ventilnadel, wobei die Ventilnadel ein erstes Ende in dem Fluidkanal aufweist, das Öffnen und Schließen der Zumeßöffnung steuert, und in einer Betätigungskammer ein zweites Ende aufweist, wobei das zweite Ende, das mit einer Betätigungsanordnung in der Betätigungskammer zusammenwirkt, die Axialbewegung der Nadel steuert, wobei in Betrieb der Druck in der Betätigungskammer kleiner als der Druck in dem Fluidkanal ist, und ein Buchsenelement für die Ventilnadel, das die Betätigungskammer und den Fluidkanal hydraulisch isoliert.
Eine solche Zumeßvorrichtung ist beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung EP 1 046 809 A2 offenbart. Bei der Herstellung von piezoelektrischen, von Stellgliedern gesteuerten Ventilen zur Direkteinspritzung unter hohem Druck bei Benzinmotoren ist es wesentlich, eine hydraulische Dichtung vorzusehen, die den Raum isolieren kann, durch welchen das unter Druck gesetzte Benzin aus dem Ventil mit dem oben genannten Stellglied darin läuft.
Grundsätzliche Anforderungen an dieses Abdichtelement sind

– die Fähigkeit, bei hohen Drücken von mehr als 200 Bar zu funktionieren,
– die Beständigkeit gegen Druckspitzen und den durch das Öffnen und Schließen der Einspritznadel eingeführten hydraulischen Kolben sowie die Festigkeit gegen Bruch, Kriechwirkung, Dauerbeanspruchung und dergleichen, und
– befriedigende Lebensdauer des Elements in seiner betrieblichen Umgebung sowie chemische Toleranz gegen Benzin, Festigkeit gegen Wärmespannungen und dergleichen.

In dem Schriftsatz EP 1 046 809 A2 wird das Abdichtelement von einem metallischen Faltenbalg gebildet, bei dem der obere und der untere Bund an der Einspritznadel bzw. dem Ventilkörper befestigt ist. Ein metallischer Faltenbalg bietet eine hohe mechanische Elastizität in der Bewegungsrichtung der Nadel, eine ausreichende Beständigkeit gegen Kraftstoffdrücke bis zu 500 Bar und eine hohe Sicherheit bezüglich Undichtigkeiten über den gesamten erforderlichen Temperaturbereich von –40°C bis +150°C. Jedoch weist ein Einspritzventil mit einem metallischen Faltenbalg die Nachteile der hohen Fertigungskosten für die Elemente und einer komplizierten Montage auf, bei der zwei hermetische Schweißnähte notwendig sind.
In DE 100 54 182 A1 ist eine Zumeßvorrichtung mit einem metallischen Faltenbalg als Abdichtelement offenbart. Ein Ende des metallischen Faltenbalgs ist an einer inneren Montagehülse befestigt, welche an einer Ventilnadel angeschweißt ist. Das entgegengesetzte Ende des metallischen Faltenbalgs ist an einem Ende einer äußeren Montagehülse angeschweißt, und der metallische Faltenbalg ist in der äußeren Montagehülse angeordnet. An dem entgegengesetzten Ende der äußeren Montagehülse ist ein Bund angeordnet, der an einem Ventilkörper angeschweißt ist. Die innere Montagehülse ist in der äußeren Montagehülse angeordnet, und der unter hohem Druck stehende Treibstoff kann nur durch einen Freiraum zwischen der inneren Montagehülse und der äußeren Montagehülse laufen. Mithin werden Druckimpulse der unter hohem Druck stehenden Treibstoff gedämpft, bevor sie zu dem metallischen Faltenbalg gelangen.
In DE 2 032 005 ist ein Treibstoffeinspritzventil mit einer Ventilnadel und einer an der Ventilnadel angeordneten Führungshülse offenbart. Das dem Ventilnadelsitz gegenüber liegende Ende der Führungshülse ist als gerundeter Kopf ausgebildet, der auf einer Halterung mit einer konischen Innenfläche aufliegt. Die Halterung ist an dem Ventilkörper befestigt. Durch diese Anordnung kann sich die Ventilnadel selbst zentrieren. Damit kein unter hohem Druck stehender Treibstoff zwischen dem gerundeten Kopf der Führungshülse und der konischen Innenfläche der Halterung hindurch laufen kann, sind zwei flache Metallscheiben und ein elastischer Dichtungsring auf der Hochdruckseite um die Führungshülse herum und angrenzend an den gerundeten Kopf angeordnet. Der elastische Dichtungsring ist in abdichtendem Kontakt mit der Führungshülse und dem Ventilkörper angeordnet und dichtet in Axial- und in Radialrichtung ab. Die erste flache Metallscheibe ist derart angeordnet, daß sie mit der Führungshülse und dem elastischen Dichtungsring in Kontakt steht. Die zweite flache Metallscheibe ist derart angeordnet, daß sie mit dem Ventilkörper und der ersten flachen Metallscheibe in Kontakt steht. Durch die Anordnung des elastischen Dichtungsrings und der beiden flachen Metallscheiben können sich die Ventilnadel und die Führungshülse etwas in Radialrichtung bewegen, um die Ventilnadel zu zentrieren. Durch Impulse des unter Hochdruck stehenden Treibstoffs werden die flachen Metallscheiben in der Richtung des elastischen Dichtungsrings und des gerundeten Kopfes gedrückt. Durch die elastische Formänderung des Dichtungsrings erhöht sich die Abdichtwirkung. Gleichzeitig wird die Führungshülse mit ihrem gerundeten Kopf gegen die konische Halterung gedrückt. Wenn der Treibstoffdruck abnimmt, wird die Führungshülse bewegbar, um die Ventilnadel zu zentrieren.
Angesichts des Vorstehenden liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zumeßvorrichtung der oben genannten Art zu schaffen, welche sich leichter und ökonomischer herstellen läßt und dabei trotzdem die oben dargestellten Anforderungen erfüllt.
Die obige Aufgabe wird mit einer Zumeßvorrichtung mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß der Erfindung wird bei einer Zumeßvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 das Buchsenelement von einem elastischen Element gebildet, das hermetisch an der Ventilnadel und an dem Ventilkörper befestigt ist. Das elastische Element umfaßt ein Metallelement mit ersten und zweiten Befestigungsabschnitten zum Befestigen des Metallelementes an der Ventilnadel bzw. an dem Ventilkörper und einen biegbaren konischen Abschnitt, der die ersten und zweiten Befestigungsabschnitte verbindet. Durch Biegen des konischen Abschnitts kann sich die Ventilnadel in ihrem Sitz axial um den erforderlichen Betrag für den Beginn der Treibstoffeinspritzung bewegen. Das elastische Element umfaßt außerdem einen Ring aus elastischem Material wie beispielsweise Gummi, der in Kontakt mit dem biegbaren konischen Abschnitt angeordnet ist und dadurch die Steifigkeit des elastischen Elements erhöht. Auch ist der Ring in der Lage, die Kräfte zu dämpfen, welche von den Druckspitzen des Benzins in diesem Bereich des Ventilkörpers erzeugt werden, die sich andernfalls bis auf ±30% des erwarteten Druckpegels von 200 Bar belaufen können.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Zumeßvorrichtung ist der erste Befestigungsabschnitt von einem hohlen Zylinderabschnitt in hermetischem Kontakt mit der Ventilnadel gebildet, und der zweite Befestigungsabschnitt ist von einem ringförmigen Abschnitt in hermetischem Kontakt mit dem Ventilkörper gebildet, wobei der Innendurchmesser des ringförmigen Abschnitt größer als der Durchmesser des hohlen Zylinderabschnitts ist.
Es wird als besonders vorteilhaft betrachtet, wenn der Ring aus federndem Material einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, da er dann eine straffe Passung mit dem konischen Abschnitt des Metallelementes erlaubt.
Neben den oben genannten Vorteilen wird mit der Erfindung für eine bemerkenswerte Verminderung in den Kosten des Buchsenelementes gesorgt. Die Herstellung läßt ich leicht in die laufende Montage und die Schweißvorgänge integrieren, und die verwendeten Elemente können unkompliziert auf Massenproduktion angepaßt werden.
Die Erfindung wird in ihrer Konstruktion wie auch ihrer Funktionsweise zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen derselben am besten aus der folgenden Beschreibung einer speziellen Ausführungsform bei Lektüre derselben in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen verständlich, in denen:
1 ein schematischer axialer Querschnitt des unteren Teils eines Einspritzventils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist; und
2 eine schematische perspektivische Ansicht des elastischen Elementes gemäß 1 ist, jedoch ohne den Gummiring.
1 stellt den unteren Teil eines Einspritzventils 10 für Benzinmotoren mit Direkteinspritzung gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung dar.
Der Ventilkörper 12 enthält einen Auslaßkanal 20 für das unter Druck gesetzte Fluid, der mit einer Zumeßöffnung 16 endet. In dem Auslaßkanal 20 ist axial verschieblich eine Ventilnadel 22 angeordnet. Im geschlossenen Zustand des Einspritzventils wird ein pilzförmiger Kolben 24 an einem ersten Ende der Nadel 22 gegen den Ventilsitz 14 gedrückt und schließt die Zumeßöffnung 16.
Bei Aktivierung einer piezoelektrischen Betätigungsanordnung 42, welche auf ein zweites Ende 26 der Ventilnadel 22 einwirkt, hebt sich die Nadel 22 von dem Ventilsitz 24 ab, um mit der Einspritzung des unter Druck gesetzten Benzins in den Zylinder des Motors zu beginnen.
Da der Druck in der Betätigungskammer 40 kleiner als der Druck des unter Druck gesetzten Benzins in dem Auslaßkanal 20 ist, isoliert ein elastisches Element 30 und 38 hydraulisch die Betätigungskammer 40 und den Auslaßkanal 20 voneinander.
Das elastische Element umfaßt ein Metallelement 30 und einen Gummiring 38 mit trapezförmigem Querschnitt. Wie am besten in der perspektivischen Ansicht gemäß 2 zu sehen ist, besteht das Metallelement 30 aus einem hohlen Zylinderabschnitt 32, der einen ersten Befestigungsabschnitt bildet, einen ringförmigen Abschnitt 36, der einen zweiten Befestigungsabschnitt bildet, und einen biegbaren konischen Abschnitt 34, der die zwei Befestigungsabschnitte 32 und 36 verbindet.
In 1 ist das Metallelement 30 mit dem ersten Befestigungsabschnitt 32 hermetisch an der Ventilnadel 22 und mit dem zweiten Befestigungsabschnitt 36 hermetisch an dem Ventilkörper 12 befestigt. Der konische Teil 34 des Metallelementes kann sich in einem solchen Maße biegen, daß sich die Nadel bis zu 100 μm axial in ihrem Sitz bewegen kann, wodurch der Benzinstrom in die Verbrennungskammer des Motorzylinders hervorgerufen wird.
Die trapezförmige Gestalt des Gummirings 38 ist so gewählt, daß er straff auf den konischen Abschnitt 34 paßt und diesem größere Steifigkeit verleiht. Der Gummiring 38 weist außerdem die Wirkung auf, die Kräfte zu dämpfen, welche durch die Druckspitzen des Benzins in diesem Bereich des Ventilkörpers 12 erzeugt werden, die andernfalls nicht weniger als ±30% bei einem Druckpegel von 200 Bar betragen können.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen und in den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl allein als auch in jeder möglichen Kombination für die Umsetzung der Erfindung wichtig sein.

Claims

Zumeßvorrichtung zum Dosieren von unter Druck stehenden Fluids, insbesondere ein Einspritzventil für ein Treibstoffeinspritzsystem in einer Verbrennungskraftmaschine, mit: – einem Ventilkörper (12), der einen Fluidkanal (20) für das zu dosierende, unter Druck stehende Fluid enthält, wobei der Fluidkanal (20) mit einer Zumeßöffnung (16) endet, – einer axial bewegbaren, durch den Fluidkanal (20) verlaufenden Ventilnadel (22), wobei die Ventilnadel (22) ein erstes Ende (24) in dem Fluidkanal (20) aufweist, das Öffnen und Schließen der Zumeßöffnung (22) steuert, und in einer Betätigungskammer (40) ein zweites Ende (26) aufweist, wobei das zweite Ende (26), das mit einer Betätigungsanordnung (42) in der Betätigungskammer (40) zusammenwirkt, die Axialbewegung der Nadel (22) steuert, wobei in Betrieb der Druck in der Betätigungskammer (40) kleiner als der Druck in dem Fluidkanal (20) ist, und – einem Buchsenelement (30, 38) für die Ventilnadel (22), das die Betätigungskammer (40) und den Fluidkanal (20) hydraulisch isoliert, das von einem elastischen Element (30, 38) gebildet wird, das hermetisch an der Ventilnadel (22) und an dem Ventilkörper (12) befestigt ist, und das ein Metallelement (30) mit ersten und zweiten Befestigungsabschnitten (32, 36) zum Befestigen des Metallelementes (30) an der Ventilnadel (22) bzw. an dem Ventilkörper (12) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element außerdem einen biegbaren konischen Abschnitt (34), der die ersten und zweiten Befestigungsabschnitte (32, 36) verbindet, und einen Ring (38) aus elastischem Material wie beispielsweise Gummi umfaßt, der in Kontakt mit dem biegbaren konischen Abschnitt (34) angeordnet ist.
Zumeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Befestigungsabschnitt von einem hohlen Zylinderabschnitt (32) in hermetischem Kontakt mit der Ventilnadel (32) gebildet ist, und daß der zweite Befestigungsabschnitt von einem ringförmigen Abschnitt (36) in hermetischem Kontakt mit dem Ventilkörper (12) gebildet ist, wobei der Innendurchmesser des ringförmigen Abschnitt (36) größer als der Durchmesser des hohlen Zylinderabschnitts (32) ist.
Zumeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (38) aus elastischem Material einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.