EP1364114A2

EP1364114A2 - Fluiddosiervorrichtung mit drosselstelle

Info

Publication number: EP1364114A2
Application number: EP01992833A
Authority: EP
Inventors: Andreas Kappel; Bernhard Fischer; Randolf Mock; Bernhard Gottlieb; Enrico Ulivieri
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2001-10-29
Publication date: 2003-11-26
Anticipated expiration: 2021-10-29
Also published as: JP2004513286A; WO2002036959A3; KR100588766B1; KR20030051777A; US20040004139A1; DE50107526D1; US7044407B2; JP3914875B2; EP1364114B1; WO2002036959A2

Abstract

Bei einer Fluiddosiervorrichtung für ein unter Druck stehendes Fluid mit einer in einem Gehäuse (3) befindlichen Kammer (35), der durch eine Fluidzuleitung (17, 19) das druckbeaufschlagte Fluid zugeführt wird, und mit einer durch die Kammer (35) geführten Ventilnadel (9), deren erster Endabschnitt ausserhalb der Kammer mit einem Hub beaufschlagbar ist und deren zweiter Endabschnitt mit einem am Gehäuse (3) vorgesehenen Ventilsitz (16) ein mit der Kammer (35) in Verbindung stehendes Ventil bildet. Um eine dichte Durchführung der Ventilnadel bereitzustellen, die zudem eine geforderte Dauerstandfestigkeit erreicht, ist ein Metallbalg (33) als Durchführungselement für den ersten Endabschnitt der Ventilnadel (9) von der Kammer (35) nach aussen vorgesehen, welcher Metallbalg die Kammer in diesem Bereich dicht verschliesst, wobei umfangsmässig zwischen der Ventilnadel (9) und der Kammerinnenwand zumindest eine Drosselstelle (37, 39) im Kammerabschnitt zwischen dem Metallbalg (33) und der Einmündung (18) der Fluidzuleitung (17) in die Kammer (35) vorgesehen ist.

Description

Beschreibung

Fluiddosiervorrichtung mit Drosselstelle

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluiddosiervorrichtung für ein unter Druck stehendes Fluid mit einer in einem Gehäuse befindlichen Kammer, der durch eine Fluidzuleitung das druckbeaufschlagte Fluid zugeführt wird, und mit einer durch die Kammer geführten Ventilnadel, deren erster Endab- schnitt außerhalb der Kammer mit einem Hub beaufschlagbar ist und deren zweiter Endabschnitt mit einem am Gehäuse vorgesehenen Ventilsitz ein mit der Kammer in Verbindung stehendes Ventil bildet.

Im Stand der Technik sind verschiedene Abdichtungs- oder

Durchführungselemente für Fluiddosiervorrichtungen bekannt. Für den Anwendungsfall der Dosierung von unter Druck stehendem Kraftstoff mit einem Druck von bis zu beispielsweise 300 bar und einer Arbeitstemperatur von -40°C bis +150°C werden besondere Anforderungen an ein serientaugliches Produkt gestellt. Insbesondere müssen hohe Anforderungen hinsichtlich der Versprödung, des Verschleißes und der Zuverlässigkeit erfüllt werden. Dabei entspricht die Dauerstandfestigkeit von bisher verwendeten O-Ring-Dichtungen den obigen Anforderungen nicht. Anstelle von O-Ringen können auch Membrandichtungen wie z.B. Metallsicken o. Ä. verwendet werden. Beim Einsatz derartiger Membranen als Durchführungselement einer Ventilnadel durch eine druckbeaufschlagte Kammer können jedoch die Anforderungen bezüglich einer hohen axialen Nachgiebigkeit bei gleichzeitig ausreichender Druckfestigkeit nicht erfüllt werden.

Die Ventilnadel kann weiterhin ähnlich wie bei Dieselinjektoren auch durch eine Spielpassung der Nadel in einer zy- lindrischen Gehäusebohrung erfolgen. Nachteilig hierbei ist die unvermeidbare Leckage längs der Nadeldurchführung. Durch die größeren hydraulischen Verluste wird außerdem der Gesamtwirkungsgrad des Motors herabgesetzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer gat- tungsgemäßen Fluiddosiervorrichtung insbesondere eine dichte Durchführung der Ventilnadel bereitzustellen, die eine geforderte Dauerstandfestigkeit erreicht.

Erfindungsgemäß ist dies bei einer Fluiddosiervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, dass umfangsmäßig zwischen der Ventilnadel und der Kammerinnenwand zumindest eine Drosselstelle im Kammerabschnitt zwischen dem Durchführungselement und der Einmündung der Fluidzuleitung in die Kammer vorgesehen ist. Aus Messungen hat sich ergeben, dass für den Einsatz in Hochdruckeinspritzventilen, beispielsweise der Fahrzeugtechnik, als Durchführungselemente konzipierte Metallbälge problemlos statischen Druckbelastungen bis zu ca. 200 bar standhalten können. Durch eine Erhöhung der Wanddicke kann auch eine weit höhere Druckfestigkeit erreicht werden. Weitere Untersuchungen an bewegten Metallbalgabdichtungen zeigten zudem, dass ein hochdruckbelasteter Metallbalg beim Ausführen einer für die Einspritzventile typischen Axialbewegung von bis zu 50 μm mit einer Frequenz von 50 Hz keine Degradation erleidet. Durch den Einsatz eines Metallbalges ist also eine hermetische Abdichtung der Kraftstoffkammer bei ausreichender Druckfestigkeit erreicht.

Es wurde jedoch überraschenderweise festgestellt, dass die Metallbälge beim betriebsgemäßen Einsatz in einem Hochdruckeinspritzventil bei einer statischen Druckbelastung von 200 bar bereits nach ca. 10 min versagen. Dies hat seine Ursache darin, dass beim Öffnen und Schließen des Einspritzventils bzw. Injektors Druckwellen in der Kraftstoffkammer des Injek- tors ausgelöst werden, die in Abhängigkeit von der Öffnungsund Schließzeit des Injektors mit einer Amplitude von bis zu ±50% des eingestellten Kraftstoffdruckes und einer Frequenz von ca. 500 Hz - 10 kHz, typischerweise im Bereich von ca. 500 - 800 Hz, um den eingestellten Grunddruck schwingen. Das Auftreten derartiger Druckoszillationen führt bei ausgelösten Druckwellen zum Versagen der Metallbalgabdichtung. Die erfin- dungsgemäß vorgesehenen Drosselstellen schützen den Metallbalg vor der zerstörenden Wirkung dieser Druckoszillationen.

Zusammenfassend ist erfindungsgemäß also eine ausreichende Dichtigkeit der Kraftstoffkammer durch den Metallbalg reali- siert, wobei die Metallbalgabdichtung vor den im Betrieb auftretenden Druckwellen geschützt ist und dadurch eine kraftfahrzeugtechnisch typische Dauerstandfestigkeit von mindestens 10⁹ Lastzyklen (ca. 2000 Betriebsstunden) erreicht ist

Vorteilhafterweise weist der Metallbalg eine Wandstärke von 25 bis 500 μm auf. Diese geringen Wandstärken haben sich bei hohen Drücken von beispielsweise 300 bar als völlig ausreichend erwiesen. Versuche haben ergeben, dass eine Ausbil- düng des Metallbalges in Form von - im Längsschnitt sichtbaren - aneinander gereihten Halbkreissegmenten besondere Vorteile erbringt. Diese Halbkreissegmente können jeweils durch dazwischenliegende gerade Teilstücke ergänzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das elastische Durchführungselement an einer Montagehülse befestigt ist, insbesondere durch eine Schweißverbindung. Dies ist fertigungstechnisch besonders günstig, da sich insbesondere ein Metallbalg nur mit vergleichsweise großem Aufwand direkt an der Ventilnadel befestigen lässt. Mit der Montagehülse steht auch ein Element bereit, durch das sich auf einfache Weise eine genau dimensionierte Drosselstelle in der Kraftstoffkammer realisieren lässt.

Um eine geeignete Drosselstelle in der Kraftstoffkammer bereitstellen zu können, ist alternativ oder zusätzlich zu der passend dimensionierten Montagehülse eine obere Führungshülse derart ausgebildet, dass durch diese Ventilnadelführung eine enge und möglichst lange Spielpassung realisiert ist. Da die obere Ventilnadelführung ohnehin beim Kraftstoffinjektor vorgesehen ist, können zusätzliche Komponenten entfallen.

Wenn beide Drosselstellen - "Montagehülse" und "obere Ventilnadelführung" - gleichzeitig bei der Fluiddosiervorrichtung realisiert sind, können die jeweiligen Drosselspalte größer und/oder in axialer Richtung kürzer ausgeführt werden, ohne die Schutzwirkung der Drosselstellen für den Metallbalg negativ zu beeinflussen. Zudem können Fehlpassungen, die zu einem Klemmen der Ventilnadel führen könnten, vermieden werden. Dies gilt jedoch auch, wenn auf die durch die Montagehülsen gebildete Drosselstelle verzichtet wird, wobei die durch die obere Führungshülse gebildete Drosselstelle entsprechend auszulegen ist.

Um die Ausbreitung der Druckwellen in der Kraftstoffkammer in Richtung des Metallbalges verhindern bzw. stark beschränken zu können, ist im Bereich der Drosselstelle der freie Querschnitt zwischen der Ventilnadel und der Kammerinnenwand sprunghaft geändert. Dies führt an dem sich quer zur Ausbreitungsrichtung der Druckwellen erstreckenden Kammerinnenwandabschnitt zur gewünschten Reflexion der Druckwellen.

Die Spaltbreite der Drosselstelle wird in Abhängigkeit von der Lage der Drosselstelle in der Kraftstoffkammer und der Länge des Drosselspaltes unter Berücksichtigung der statischen und dynamischen Druckverhältnisse gewählt. Es haben sich einige m als typischer Wert für die Spaltbreite der Drosselstelle in der Kraftstoffkammer eines Hochdruck Kraftstoffinjektors ergeben.

Nachfolgend sind anhand schematischer Darstellungen vier Aus- führungsbeispiele der erfindungsgemäßen Fluiddosiervorrichtung beschrieben. Es zeigen: Fig. la in einem Längsschnitt das erste Ausführungsbeispiel der Fluiddosiervorrichtung,

Fig. lb zwei Querschnittdarstellungen entlang der Linien A-A und B-B in Fig. la,

Fig. 2 in einem Längsschnitt das zweite Ausführungsbeispiel,

Fig. 3a in einem Längsschnitt das dritte Ausführungsbeispiel der Fluiddosiervorrichtung, sowie

Fig. 3b zwei Querschnittdarstellungen entlang der Linien A-A und B-B in Fig. 3a.

Bei einem in Fig. la, b schematisch gezeigten Einspritzventil 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist aus Vereinfachungsgründen die an sich allgemein bekannte Aktoreinheit nicht dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist ein Gehäuse 3 mit einer Zentralbohrung auf, in der ein Ventilkör- per 5 montiert ist. In einer Ventilkörperbohrung 7 des Ventilkörpers ist eine Ventilnadel 9 axial verschiebbar geführt. Dazu sind in der Ventilkörperbohrung 7 an deren unteren und oberen Endabschnitt am Ventilkörper 5 eine untere bzw. vordere und eine obere bzw. hintere Führungshülse 11, 13 be- festigt, die entsprechende Ventilnadelführungen bilden. Die dadurch realisierten Engstellen sind dabei so ausgelegt, dass sie einen Flüssigkeitsstrom beim Öffnen und Schließen des Ventils 1 nicht behindern bzw. drosseln. Dazu ist die Ventilnadel 9 sowohl in Höhe der unteren als auch der oberen Füh- rungshülse 11, 13 bzw. der beiden Ventilnadelführungen mit einem umfangsmäßig hervorspringenden, verrundeten Vierkantquerschnitt gemäß Fig. la, b versehen (Schnitt A-A und Schnitt B-B) . Dabei ist die Ventilnadel 9 mit den verrundeten Kantenbereichen 14 mit einem Spiel von weniger als 2 um in die beiden Führungshülsen 11, 13 eingepasst. Der freie Spalt zwischen den vier Seitenflächen des Vierkantes der Ventilnadel 9 und der zylinderförmigen Innenwand der Führungshülsen 11, 13 ist dabei deutlich größer ausgebildet, um jegliche Drosselwirkung zu vermeiden.

Im Grundzustand verschließt ein am vorderen Endabschnitt der Ventilnadel 9 ausgebildeter Ventilteller 15 einen Ventilsitz 16 am Ventilkörper 5. Im Ventilkörper ist eine Ventilkörper- KraftstoffZuleitung 17 vorgesehen, die in axialer Erstreckung gesehen zwischen der unteren und der oberen Führungshülse 11, 13 mit einer Einmündung 19 in die Ventilkörperbohrung 7 mün- det. Entsprechend ist auch im Ventilgehäuse 3 eine Gehäuse- KraftstoffZuleitung 21 vorgesehen. Am oberen Endabschnitt der Ventilnadel 9 ist an dieser eine Federplatte 23 befestigt. Auf diese drückt eine Düsenfeder 25, die sich gehäuseseitig abstützt und dadurch die Ventilnadel 9 in Schließrichtung vorspannt. Oberhalb der oberen Führungshülse 13 ist in der

Zentralbohrung des Ventilgehäuses 3 eine äußere Montagehülse 27 befestigt. Die äußere Montagehülse 27 weist am unteren Ende einen Hülsenkragen 44 auf, der auf einer ringförmigen Auflagefläche 45 auf dem Gehäuse 3 aufliegt. Der Hülsenkragen weist eine Außenfläche 46 auf, die einer Innenwandung 47 des Gehäuses 3 angeordnet ist. Zwischen der Außenfläche 46 und der Innenwandung 47 ist ein Dichtelement 48 in Form eines Dichtringes eingelegt. Der Hülsenkragen 44 ist mit einer ringförmig umlaufenden Schweißnaht 49 dicht mit der Innenwan- düng 47 verschweißt. Diese bildet durch eine Öffnung in einem Hülsenboden 29 eine Nadeldurchführung, die wie nachfolgend beschrieben abgedichtet ist. In einem sich beschränkt in axialer Richtung erstreckenden Teilabschnitt der äußeren Montagehülse 27 bildet deren Innenwand eine nachfolgend ausführ- licher beschriebene Engstelle mit der Außenwand einer inneren Montagehülse 31, die wiederum an der Ventilnadel 9 befestigt ist. An die äußere und innere Montagehülse 27, 31 angeschweißt ist ein zylindrischer Metallbalg 33, durch den die Ventilnadel 9 nach außen geführt ist. Der Metallbalg 33 dient dabei zur hermetischen Abdichtung der Kraftstoffkammer 35 gegenüber einem drucklosen, luftgefüllten Zwischenraum 36. Vorzugsweise ist der Metallbalg 33 im Bereich der Öffnung am

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1

Montagehülse 27, 31 so klein und lang gewählt, dass ein ausreichender Drosseleffekt realisiert ist. Die beim Öffnen und Schließen des Ventils 1 in der Kraftstoffkammer 35 ausgelösten Druckwellen können infolge des geringen Abstandes zwi- sehen der inneren und der äußeren Montagehülse 27, 31 nicht bzw. nur geringfügig auf den Metallbalg 33 einwirken.

Ein Kraftstoffeinspritzventil 1 gemäß dem dritten in Fig. 3a, b gezeigten Ausführungsbeispiel weist anstelle der ersten Drosselstelle gemäß den ersten beiden Ausführungsbeispielen alternativ eine zweite Drosselstelle 39 im Bereich der oberen Ventilnadelführung bzw. der oberen Führungshülse 13 auf. Da die KraftstoffZuleitung 17 unterhalb der oberen Ventilnadelführung 13 in den Raum zwischen der Ventilnadel 9 und dem Ventilkörper 5 bzw. die Kraftstoffkammer 35 mündet, uss der in diese einzuspritzende Kraftstoff die obere Ventilnadelführung 13 nicht passieren. Deshalb kann die obere Ventilnadelführung selbst als enge, lange zylindrische Spielpassung der Ventilnadel 9 in der oberen Führungshülse 13 ausgebildet werden, wie im Schnitt B-B in Fig. 3b dargestellt ist. Dabei ist die Ventilnadel 9 im Unterschied zur unteren Ventilnadelführung (Schnitt A-A) nicht als Vierkant ausgebildet, sondern zylinderförmig (Schnitt B-B) . An dieser zweiten Drosselstelle 39 werden die bei Öffnungs- und Schließvorgängen ausgelösten Druckwellen reflektiert und ein dynamischer Volumenaustausch in Richtung auf den Metallbalg 33 wird stark gedrosselt. Durch die Integration der Drosselstelle 39 in die Ventilnadelführung können auch Mehrfachpassungen vermieden werden. Die Drosselwirkung der oberen Ventilnadelführung 13 trennt die Kraftstoffkammer 35 in zwei Teilvolumina, nämlich einem ersten und einem zweiten Kammerteilvolumen 41, 43. Obwohl im unteren ersten Teilvolumen 41 der Kraftstoffkammer 35 durch das Öffnen und Schließen der Einspritzdüse dynamische Druckänderungen mit großer Amplitude erzeugt werden, können diese durch die dynamische Dichtwirkung der zweiten Drosselstelle 39 stark abgeschwächt in das obere zweite Teilvolumen 43 der Kraftstoffkammer 35 wirken, in welchem sich die Metallbalg- o o M IV> P¹ cn o cn o Cn o Cn

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Claims

Patentansprüche

1. Fluiddosiervorrichtung für ein unter Druck stehendes Fluid mit einer in einem Gehäuse (3) befindlichen Kammer (35) , der durch eine Fluidzuleitung (17, 21) das druckbeaufschlagte

Fluid zugeführt wird, und mit einer durch die Kammer (35) geführten Ventilnadel (9) , deren erster Endabschnitt außerhalb der Kammer mit einem Hub beaufschlagbar ist und deren zweiter Endabschnitt mit einem am Gehäuse (3) vorgesehenen Ventilsitz (16) ein mit der Kammer (35) in Verbindung stehendes Ventil bildet, wobei ein elastisches Durchführungseiement (33) für den ersten Endabschnitt der Ventilnadel (9) von der Kammer (35) nach außen vorgesehen ist, das die Kammer in diesem Bereich dicht verschließt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass umfangs äßig zwischen der Ventilnadel (9) und der Kammerrinnenwand zumindest eine Drosselstelle (37, 39) im Kammerabschnitt zwischen dem Durchführungselement (33) und der Einmündung (19) der Fluidzuleitung (17) in die Kammer (35) vorgesehen ist.

2. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Durchführungselement ein Faltenbalg, insbesondere ein Metallbalg (33) vorgesehen ist.

3. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Metallbalg (33) eine Wandstärke von 25 bis 500 μm aufweist.

4. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Durchführungselement (33) an einer Montagehülse (31) befestigt ist, insbesondere durch eine Schweißverbindung.

5. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass durch die Montagehülse (31) die Drosselstelle (37) in der Kammer (35) gebildet ist.

6. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine obere Ventilnadelführung (13) vorgesehen ist, und dass durch die obere Ventilnadelführung die Drosselstelle (39) in der Kammer (35) gebildet ist.

7. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass im Bereich der Drosselstelle (37, 39) der freie Querschnitt zwischen der Ventilnadel (9) und der Kammerinnenwand sprunghaft geändert ist.

8. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Spalt im Bereich der Drosselstelle (37, 39) wenige μm breit ist.

9. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Fluid Kraftstoff verwendet wird, und dass der Kraftstoffdruck im Bereich zwischen 1 bis 500 bar liegt.

10. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Durchmesser einer Spielpassung der Ventilnadel (9) einem hydraulisch wirksamen Durchmesser des Metallbalgs (33) entspricht.