EP2177748B1 - Einspritzvorrichtung - Google Patents

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EP2177748B1
EP2177748B1 EP09172734.7A EP09172734A EP2177748B1 EP 2177748 B1 EP2177748 B1 EP 2177748B1 EP 09172734 A EP09172734 A EP 09172734A EP 2177748 B1 EP2177748 B1 EP 2177748B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
injection
medium
actuator
valve
injection device
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP09172734.7A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP2177748A2 (de
EP2177748A3 (de
Inventor
Olaf Ohlhafer
Robert Giezendanner-Thoben
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2177748A2 publication Critical patent/EP2177748A2/de
Publication of EP2177748A3 publication Critical patent/EP2177748A3/de
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Publication of EP2177748B1 publication Critical patent/EP2177748B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
    • F02M69/04—Injectors peculiar thereto
    • F02M69/041—Injectors peculiar thereto having vibrating means for atomizing the fuel, e.g. with sonic or ultrasonic vibrations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/06—Use of pressure wave generated by fuel inertia to open injection valves

Definitions

  • the present invention relates to an injection device having a valve arrangement, an actuator device and a pulse transmission device, which fluid-tightly separates the valve arrangement from the actuator device, and which transmits a pulse generated by the actuator device to the medium to be injected. Moreover, the invention relates to a method for injecting a medium through an injection device, wherein a pulse generated by the actuator device is transmitted via the pulse transmission device to the medium and then to the valve assembly.
  • Injectors are known in the prior art in various configurations. In this case, the generation of an optimum for combustion in the combustion chamber fuel-air mixture, usually referred to as spray, by the injection device has a special importance. However, such injectors are very expensive and particularly expensive, since either high system pressures for converting hydraulic pressure energy into kinetic energy are generated for the spray treatment, or in alternative methods, a spray generation by means of high-frequency shock waves.
  • the DE 24 19 425 discloses an injector for internal combustion engines for injecting minute amounts of fuel.
  • the injection device according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that it has both a simpler geometry and design and accordingly can be produced easily and inexpensively, as well as produces a more homogeneous and improved spray.
  • the injection device comprises a pulse transmission device, which is arranged between the valve assembly and the actuator device and the valve assembly in contact with the medium in fluid-tight manner separates from the actuator device.
  • the simple construction of the actuator device which is not located in the medium, prevents possible interactions between the medium and the actuator and allows optimized impulse transmission through the impulse transmission device, resulting in a more homogeneous spray to be injected and, consequently, improved combustion with lower fuel consumption and reduced emissions.
  • valve member is formed reversibly deformable and is deformed by the generated pulse and lifted from the valve seat to inject medium. Due to the selected design a component minimization and a further cost savings can be realized. Furthermore, it is possible to dispense with a separate return element for the valve member.
  • the actuator device further comprises a transfer space which is arranged between the piston and the pulse transmission device.
  • the transfer space contains a vacuum or is filled with liquid. In this way, a low-loss and fast movement and pulse transmission from the piston of the actuator device is realized.
  • the injection device comprises a valve arrangement with a valve member sealing on a valve seat and a bearing element and an actuator device with an actuator, a piston and a return element.
  • the pulse transmission device transmits a pulse generated by the actuator device to the medium to be injected.
  • the fluid-tight arrangement of the actuator device relative to the valve arrangement arranged in the medium to be injected ensures an interaction-free and reliable generation of the pulse required for the injection.
  • the valve member comprises a plurality of deformable arms, thereby ensuring a uniform and durable function of the valve member.
  • the arms can assume a reproducible reversible deformation of the valve member.
  • valve member is mounted by means of the arms on the bearing element. This has the advantage that a multiple and more uniform support on the bearing element is achieved.
  • the valve member comprises exactly four arms, which are arranged at angles of 90 °. Accordingly, the valve opening via the four points of contact between the valve member and the bearing element can be adjusted symmetrically or axially precise. Furthermore, a uniform deformation of the arms can be achieved.
  • the valve member is an outwardly opening valve member. This has the advantage that an improved opening, closing and sealing behavior can be realized by this training.
  • valve member comprises a conical surface. This geometric Training is particularly advantageous for the impinging pulse wave to form an improved spray.
  • the pulse transmission device comprises a membrane or a transmission piston.
  • the membrane has the particular advantage that a cost-effective, reliable and permanent seal between the valve assembly and the actuator device can be produced.
  • the membrane is preferably made of Kevlar
  • the actuator is formed from an electromagnet, which is much simpler and less expensive than the piezoelectric elements used in the prior art.
  • the invention relates to a method for injection of a medium by an injection device, which comprises a valve arrangement which is arranged in the medium to be injected, an actuator device and a pulse transmission device arranged between the valve arrangement and the actuator device.
  • a pulse generated by the actuator device is transmitted via the pulse transmission device to the medium and then to the valve assembly to carry out an injection of medium.
  • This method is simple and inexpensive to carry out and allows a very simple construction of the injection device.
  • the pulse transmission device allows not only the momentum transfer but also a fluid-tight separation of actuator and valve assembly.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of the injection device 1 in the closed state, comprising in a first housing part 26, a valve assembly 10 with a sealing valve member 11 and a bearing device 12 with four bearing elements.
  • the valve arrangement 10 is arranged in a metering chamber 16 in the medium M to be injected, which is supplied through a supply channel 28.
  • the valve member 11 is arranged on a valve seat 13 and has a conical surface 15. Furthermore, the valve member on a rounded rear end 11a and a plurality of arms 14, of which only two are shown in this sectional view visible.
  • FIG. 3 is a sectional view of the valve assembly 10 along the line III-III of FIG. 1 is, the valve member 11 in this embodiment, preferably four arms 14 which are circumferentially arranged at angles of 90 °.
  • the bearing device 12 supports the valve member 11 to the arms 14 and is adjustable.
  • the adjustability of each of the bearing elements of the bearing device 12 allows a change in the bias on the arms 14 in the closed state of the valve member 11. This may even lead to a bending of the reversible elastic arms 14.
  • the injection device 1 further comprises in a second housing part 27 an actuator device 20 with an actuator 21, a piston 22, a return element 23 and a transfer space 25.
  • the actuator 21 which is an electromagnetic coil
  • the piston 22 the armature made of a magnetic or magnetizable material is moved in the direction of an arrow D by an interaction with the actuator 21.
  • the Return element 23 guides the piston 22 back to its starting position when the actuator 21 is not activated.
  • a pulse transmission device 24 Disposed between the valve assembly 10 and the actuator device 20 is a pulse transmission device 24 which fluidly separates the valve assembly 10 from the actuator device 20 by a diaphragm 30 and transmits a pulse generated by the actuator device 20 to the medium M to be injected, thereby opening the valve assembly 10 and medium M inject.
  • the transfer space 25, which is arranged between the piston 22 and the pulse transmission device 24, is filled with a liquid or a gas under high pressure. Alternatively, a vacuum may be used instead.
  • the piston 22 is displaced in the direction of the arrow D in the transfer space 25 and generates a pulse which is transmitted to the diaphragm 30 in the direction of an arrow E.
  • the membrane 30 bulges and transmits the pulse to the medium to be injected M.
  • the pulse of the membrane 30 induces a shock wave in the medium to be injected M.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the accommodated in the first housing part 26 valve assembly 10 of the injection device 1 in the open state, in which an induced by the transmission device 24 in the direction of the arrow E shock wave acts on the valve member 11.
  • the valve member 11 is displaced in the direction of an arrow B, wherein deformed by the bearing means 12 supported arms 14 elastically reversible to lift the conical surface 15 from the valve seat 13 and the outlet of the medium M through the outwardly opening valve member 11th to effect in the direction of arrows C.
  • the surfaces of the valve member 11 which face the impacting shock wave, namely the rear end 11a of the valve member 11 and the undersides of the arms 14 are preferably rounded or tapered to running.
  • the flow of the medium M entering through the feed channel 28 can be achieved with as little loss as possible.
  • the valve member 11 is symmetrical. After the end of the injection, a filling of the dosing chamber 16 takes place via the supply channel 28 again.
  • the function of the injection device according to the invention according to the Embodiment is as follows.
  • the coil of the actuator 21 is activated for an injection process and shifts or accelerates the piston 22 at high speed in the direction of arrow D in the transfer space 25.
  • the transfer space 25 allows a low-loss and rapid displacement of the piston 22.
  • the piston 22 reaches a Speed of over 100 m / s.
  • the piston 22 may deform the diaphragm or the displacement of the piston 22 induces the medium in the transfer chamber 25 a pulse on the diaphragm 30 of the pulse transmission device 24, which fluid-tightly separates the valve assembly 10 and the actuator device 20.
  • the membrane 30, which is preferably made of Kevlar, abruptly deforms in the direction of an arrow E and transmits a shockwave to the medium M which is located only in the valve arrangement 10.
  • the shockwave advancing through the medium M strikes the supersonic speed the impulse direction facing surfaces, namely the rear end 11 a, the lower sides of the arms 14 and the conical surface 15 of the valve member 11, and opens the valve member 11 to the outside by the resultant force.
  • the four elastic arms 14 of the valve member are reversibly deformed.
  • the magnitude of the opening force can be determined from the effective cone area 15 (in the plane of the shock wave) and the maximum pressure of the shock wave.
  • the injection device 1 has a very simple geometry and design as a result of the liquid-tightly separated from each other by the pulse transmission device 24 with the diaphragm assemblies (valve assembly and actuator device), which allows cost-effective production. Be sealed by the medium to be injected actuator 20 Avoid interactions between this and the medium to be injected, which can occur in the devices of the prior art.
  • the injector 1 of the present invention can use a controllable solenoid and an accelerated armature (piston 22) in the actuator device 20 and accelerate the piston 22 in the transfer space 25 to the high end speed of over 100 m / s to provide a sufficient impulse to the diaphragm 30 to induce.
  • valve assembly 10 of the injector further, a precise and expensive seal between the valve seat 13 and the conical surface 15 of the valve member 11 is not required.
  • the reversibly elastically deformable arms 14 serve as defined spring elements, so that the valve assembly 10 manages without additional scrubstellelmente.
  • the bearing element 12 can be adjusted continuously.
  • two different strategies can be driven. In the passive strategy, the bearing member 14 is adjusted to a constant closing force, however, during prolonged operation, plastic deformation of the arms 14 and a reduction in the closing force may occur.
  • the bearing element 12, z. B. by piezo elements are actuated individually for each injection. As a result, z. B.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung mit einer Ventilanordnung, einer Aktuatorvorrichtung und einer Impulsübertragungsvorrichtung, welche die Ventilanordnung von der Aktuatorvorrichtung fluiddicht trennt, und welche einen von der Aktuatorvorrichtung erzeugten Impuls auf das einzuspritzende Medium überträgt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einspritzung eines Mediums durch eine Einspritzvorrichtung, wobei ein von der Aktuatorvorrichtung erzeugter Impuls über die Impulsübertragungsvorrichtung auf das Medium und dann auf die Ventilanordnung übertragen wird.
  • Einspritzvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Hierbei hat die Erzeugung eines für die Verbrennung im Brennraum optimalen Kraftstoff-Luftgemischs, üblicherweise als Spray bezeichnet, durch die Einspritzvorrichtung eine besondere Wichtigkeit. Derartige Einspritzvorrichtungen sind jedoch sehr aufwendig und insbesondere teuer, da für die Sprayaufbereitung entweder hohe Systemdrücke zur Umwandlung von hydraulischer Druckenergie in kinetische Energie erzeugt werden, oder bei alternativen Methoden eine Sprayerzeugung mittels hochfrequenter Stoßwellen erfolgt.
  • So beschreibt die DE 10 2006 026 153 A1 eine Sprayerzeugung mittels hochfrequenter Stoßwellen, die über Piezoaktoren erzeugt werden. Dabei befindet sich der Aktor im einzuspritzenden Medium. Auch bei einer Stoßwellenerzeugung über eine definierte Funkenentladung befindet sich die Stoßwellenanregung im einzuspritzenden Medium. Hierbei wird ein Teil des einzuspritzenden Mediums zudem extrem hohen Temperaturen ausgesetzt. Der Kontakt der zur Stoßwellenerzeugung verwendeten Aktoren mit dem einzuspritzenden Medium kann zu Wechselwirkungen zwischen dem Medium und den Aktoren führen, die sowohl das einzuspritzende Medium als auch die Aktoren chemisch oder physikalisch schädigen können. Ferner ist die Qualität des Sprays sowohl bei den Aktoren zur Funkentladung als auch den Piezoaktoren hinsichtlich der Tropfengrößenverteilung und der Geschwindigkeit der Sprayfront nicht zufriedenstellend.
  • Die DE 24 19 425 offenbart eine Einspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen zum Einspritzen kleinster Kraftstoffmengen.
  • Von daher sind die genannten Lösungen nur unzureichend geeignet, um z. B. bei modernen Dieselmotoren eingesetzt werden zu können.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie sowohl eine einfachere Geometrie und Bauform aufweist und dementsprechend einfach und kostengünstig hergestellt werden kann, als auch ein homogeneres und verbessertes Spray erzeugt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Einspritzvorrichtung eine Impulsübertragungsvorrichtung aufweist, die zwischen der Ventilanordnung und der Aktuatorvorrichtung angeordnet ist und die mit dem Medium in Berührung stehende Ventilanordnung von der Aktuatorvorrichtung fluiddicht trennt. Die einfache Bauweise der nicht im Medium angeordneten Aktuatorvorrichtung verhindert mögliche Wechselwirkungen zwischen Medium und dem Aktor und ermöglicht eine optimierte Impulsübertragung durch die Impulsübertragungsvorrichtung, was zu einem homogeneren einzuspritzenden Spray und demzufolge zu einer verbesserten Verbrennung mit niedrigerem Kraftstoffverbrauch und reduzierten Emissionen führt. Dabei ist das Ventilglied reversibel verformbar ausgebildet und wird durch den erzeugten Impuls verformt und vom Ventilsitz abgehoben, um Medium einzuspritzen. Durch die gewählte Bauform ist eine Bauteilminimierung und eine weitere Kostenersparnis realisierbar. Ferner kann auf ein separates Rückstellelement für das Ventilglied verzichtet werden.
  • Die Aktuatorvorrichtung umfasst ferner einen Übertragungsraum der zwischen dem Kolben und der Impulsübertragungsvorrichtung angeordnet ist. Hierdurch kann eine besonders einfache, kostengünstige und funktionssichere Impulsübertragung auf die Impulsübertragungsvorrichtung erreicht werden.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung enthält der Übertragungsraum ein Vakuum oder ist mit Flüssigkeit gefüllt. Auf diese Weise wird eine möglichst verlustarme und schnelle Bewegung und Impulsübertragung vom Kolben der Aktuatorvorrichtung realisiert.
  • Vorzugsweise umfasst die Einspritzvorrichtung eine Ventilanordnung mit einem an einem Ventilsitz abdichtenden Ventilglied und einem Lagerelement sowie eine Aktuatorvorrichtung mit einem Aktor, einem Kolben und einem Rückstellelement. Die Impulsübertragungsvorrichtung überträgt einen von der Aktuatorvorrichtung erzeugten Impuls auf das einzuspritzende Medium. Durch die fluiddichte Anordnung der Aktuatorvorrichtung gegenüber der im einzuspritzenden Medium angeordneten Ventilanordnung wird eine wechselwirkungsfreie und betriebssichere Erzeugung des für die Einspritzung benötigten Impulses gewährleistet.
  • Vorzugsweise umfasst das Ventilglied eine Vielzahl von verformbaren Armen, wodurch eine gleichmäßige und dauerbeständige Funktion des Ventilglieds sichergestellt wird. Die Arme können eine reproduzierbare reversible Verformung des Ventilglieds übernehmen.
  • Besonders bevorzugt ist das Ventilglied mittels der Arme am Lagerelement gelagert. Dies hat den Vorteil, dass eine mehrfache und gleichmäßigere Auflage am Lagerelement erreicht wird.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Ventilglied genau vier Arme, welche in Winkeln von 90° angeordnet sind. Dementsprechend kann die Ventilöffnung über die vier Berührungspunkte zwischen dem Ventilglied und dem Lagerelement symmetrisch bzw. axial präzis eingestellt werden. Ferner kann eine gleichmäßige Verformung der Arme erzielt werden.
  • Vorzugsweise ist das Ventilglied ein nach außen öffnendes Ventilglied. Dies hat den Vorteil, dass durch diese Ausbildung ein verbessertes Öffnungs-, Schließ- und Abdichtungsverhalten realisiert werden kann.
  • Besonders bevorzugt umfasst das Ventilglied eine Kegelfläche. Diese geometrische Ausbildung ist für die auftreffende Impulswelle besonders vorteilhaft, um ein verbessertes Spray auszubilden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Impulsübertragungsvorrichtung eine Membran oder einen Übertragungskolben. Die Membran hat insbesondere den Vorteil, dass eine kostengünstige, betriebssichere und dauerhafte Abdichtung zwischen der Ventilanordnung und der Aktuatorvorrichtung hergestellt werden kann. Die Membran ist vorzugsweise aus Kevlar hergestellt
  • Besonders bevorzugt ist der Aktor aus einem Elektromagnet ausgebildet, der wesentlich einfacher und kostengünstiger als die beim Stand der Technik verwendeten Piezoelemente ist.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einspritzung eines Mediums durch eine Einspritzvorrichtung, die eine Ventilanordnung, welche im einzuspritzenden Medium angeordnet ist, eine Aktuatorvorrichtung und eine zwischen der Ventilanordnung und die Aktuatorvorrichtung angeordnete Impulsübertragungsvorrichtung umfasst. Ein von der Aktuatorvorrichtung erzeugter Impuls wird über die Impulsübertragungsvorrichtung auf das Medium und dann auf die Ventilanordnung übertragen, um eine Einspritzung von Medium auszuführen. Dieses Verfahren ist einfach und kostengünstig durchführbar und ermöglicht einen sehr einfachen Aufbau der Einspritzvorrichtung. Die Impulsübertragungsvorrichtung ermöglicht neben der Impulsübertragung gleichzeitig auch eine fluiddichte Trennung von Aktuatorvorrichtung und Ventilanordnung.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • Figur1
    eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung im geschlossenen Zustand,
    Figur 2
    eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung im geöffneten Zustand, und
    Figur 3
    eine Schnittdarstellung des Ventilelements (10) entlang der Linie III-III von Figur 1.
    Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figur 1 bis 3 eine erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Einspritzvorrichtung 1 im geschlossenen Zustand, die in einem ersten Gehäuseteil 26 eine Ventilanordnung 10 mit einem abdichtenden Ventilglied 11 und eine Lagereinrichtung 12 mit vier Lagerelementen umfasst. Wie aus der Figur 1 ersichtlich, ist die Ventilanordnung 10 in einer Dosierkammer 16 im einzuspritzenden Medium M angeordnet, das durch einen Zuführungskanal 28 zugeführt wird.
  • Das Ventilglied 11 ist an einem Ventilsitz 13 angeordnet und weist eine Kegelfläche 15 auf. Ferner weist das Ventilglied ein abgerundetes hinteres Ende 11a sowie eine Mehrzahl von Armen 14 auf, von denen in dieser Schnittdarstellung lediglich zwei sichtbar dargestellt sind.
  • Wie Figur 3 ersichtlich, die eine Schnittdarstellung der Ventilanordnung 10 entlang der Linie III-III von Figur 1 ist, weist das Ventilglied 11 bei diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise vier Arme 14 auf, die umfangsseitig mit Winkeln von 90° angeordnet sind.
  • Die Lagereinrichtung 12 lagert das Ventilglied 11 an den Armen 14 und ist einstellbar ausgebildet. Die Einstellbarkeit jedes der Lagerelemente der Lagereinrichtung 12 ermöglicht eine Änderung der Vorspannung auf die Arme 14 im geschlossenen Zustand des Ventilglieds 11. Dies kann sogar zu einem Verbiegen der reversibel elastischen Arme 14 führen.
  • Die Einspritzvorrichtung 1 umfasst ferner in einem zweiten Gehäuseteil 27 eine Aktuatorvorrichtung 20 mit einem Aktor 21, einem Kolben 22, einem Rückstellelement 23 und einem Übertragungsraum 25. Bei einer Betätigung beziehungsweise Aktivierung des Aktors 21, der eine elektromagnetische Spule ist, wird der Kolben 22, der aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material hergestellter Anker ist, durch eine Wechselwirkung mit dem Aktor 21 in Richtung eines Pfeils D bewegt. Das Rückstellelement 23 führt den Kolben 22 bei nicht aktiviertem Aktor 21 wieder zu seiner Ausgangsposition zurück.
  • Zwischen der Ventilanordnung 10 und der Aktuatorvorrichtung 20 ist eine Impulsübertragungsvorrichtung 24 angeordnet, die die Ventilanordnung 10 von der Aktuatorvorrichtung 20 durch eine Membran 30 fluiddicht trennt und einen von der Aktuatorvorrichtung 20 erzeugten Impuls auf das einzuspritzende Medium M überträgt, um dadurch die Ventilanordnung 10 zu öffnen und Medium M einzuspritzen.
  • Der Übertragungsraum 25, welcher zwischen dem Kolben 22 und der Impulsübertragungsvorrichtung 24 angeordnet ist, ist mit einer Flüssigkeit oder einem Gas unter hohem Druck gefüllt. Alternativ kann stattdessen auch ein Vakuum verwendet werden. Durch Bestromen des Aktors 21 wird der Kolben 22 in Richtung des Pfeils D in den Übertragungsraum 25 verschoben und erzeugt einen Impuls, welcher auf die Membran 30 in Richtung eines Pfeils E übertragen wird. Die Membran 30 wölbt sich und überträgt den Impuls auf das einzuspritzende Medium M. Der Impuls der Membran 30 induziert eine Stoßwelle im einzuspritzenden Medium M.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der im ersten Gehäuseteil 26 untergebrachten Ventilanordnung 10 der Einspritzvorrichtung 1 im geöffneten Zustand, bei dem eine durch die Übertragungsvorrichtung 24 in Richtung des Pfeils E induzierte Stoßwelle auf das Ventilglied 11 einwirkt. Durch die Impulswirkung wird das Ventilglied 11 in Richtung eines Pfeils B verschoben, wobei sich die durch die die Lagereinrichtung 12 abgestützten Arme 14 elastisch reversibel verformen, um die Kegelfläche 15 vom Ventilsitz 13 abzuheben und den Austritt des Mediums M durch das nach außen öffnende Ventilglied 11 in Richtung der Pfeile C zu bewirken. Um eine möglichst homogene Impulswirkung auf das Ventilglied 11 zu ermöglichen, sind die der auftreffenden Stoßwelle zugewandten Flächen des Ventilglieds 11, nämlich das hintere Ende 11a des Ventilglieds 11 sowie die Unterseiten der Arme 14 vorzugsweise abgerundet oder konisch zu laufend ausgebildet. Dadurch kann eine möglichst verlustarme Strömung des durch den Zuführungskanal 28 eintretenden Mediums M erreicht werden. Ferner ist das Ventilglied 11 symmetrisch aufgebaut. Nach einem Ende der Einspritzung erfolgt über den Zuführungskanal 28 wieder eine Befüllung der Dosierkammer 16.
  • Die Funktion der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel ist dabei wie folgt. Die Spule des Aktors 21 wird für einen Einspritzvorgang aktiviert und verschiebt bzw. beschleunigt den Kolben 22 mit hoher Geschwindigkeit in Richtung des Pfeils D in den Übertragungsraum 25. Der Übertragungsraum 25 ermöglicht eine verlustarme und schnelle Verschiebung des Kolbens 22. Der Kolben 22 erreicht dabei eine Geschwindigkeit von über 100 m/s. Der Kolben 22 kann die Membran verformen oder die Verschiebung des Kolbens 22 induziert das Medium im Übertragungsraum 25 einen Impuls auf die Membran 30 der Impulsübertragungsvorrichtung 24, die die Ventilanordnung 10 und die Aktuatorvorrichtung 20 fluiddicht trennt. Aufgrund des erzeugten Impulses verformt bzw. wölbt sich die vorzugsweise aus Kevlar ausgebildete Membran 30 schlagartig in Richtung eines Pfeils E und überträgt eine Stosswelle auf das lediglich in der Ventilanordnung 10 befindliche Medium M. Die durch das Medium M fortschreitende Stosswelle trifft dabei mit Überschallgeschwindigkeit auf die der Impulsrichtung zugewandten Oberflächen, nämlich das hintere Ende 11a, die Unterseiten der Arme 14 und die Kegelfläche 15 des Ventilglieds 11, und öffnet durch die darauf resultierende Krafteinwirkung das Ventilglied 11 nach außen. Dabei werden die vier elastischen Arme 14 des Ventilglieds reversibel verformt. Die Größenordnung der öffnenden Kraft kann aus der effektiv wirksamen Kegelfläche 15 (in der Ebene der Stosswelle) und dem maximalen Druck der Stosswelle bestimmt werden. Zwischen der Kegelfläche 15 des Ventilelements 11 und dem Ventilsitz 13 wird bei der Einspritzung ein Ringsspalt freigegeben, der eine verbesserte bzw. optimierte Sprayerzeugung begünstigt. Nachdem die Stosswelle das Ventilglied 11 angehoben hat, sorgt der dem Überdruck der Stosswelle folgende Bereich des Unterdrucks hinter der Stosswelle für ein rasches Schließen des Ventilglieds 11, wobei auch die vom Lagerelement 12 gelagerten Arme 14 des Ventilglieds 11 wieder entlastet bzw. elastisch reversibel rückverformt werden. Für den nächsten Einspritzimpuls nimmt die Membran 30 aufgrund ihrer Materialeigenschaften wieder ihre Ausgangsform ein und der Kolben 22 wird durch das Rückstellelement 23 wieder auf seine Ausgangsposition zurückgeführt, nachdem die Bestromung der Spule beendet wurde. Die eingespritzte Menge von Medium M wird dann über den Zuführungskanal 28 ersetzt.
  • Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 1 weist infolge der durch die Impulsübertragungsvorrichtung 24 mit der Membran 30 flüssigkeitsdicht voneinander getrennten Baugruppen (Ventilanordnung und Aktuatorvorrichtung) eine sehr einfache Geometrie und Bauform auf, die eine kostengünstige Herstellung ermöglicht. Durch die vom einzuspritzenden Medium abgedichtete Aktuatorvorrichtung 20 werden Wechselwirkungen zwischen dieser und dem einzuspritzenden Medium vermieden, die bei den Vorrichtungen des Standes der Technik auftreten können. Infolge dieser Auslegung kann die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 1 einen steuerbaren Elektromagneten und einen beschleunigten Anker (Kolben 22) in der Aktuatorvorrichtung 20 verwenden und den Kolben 22 im Übertragungsraum 25 auf die hohe Endgeschwindigkeit von über 100 m/s beschleunigen, um einen ausreichenden Impuls auf die Membran 30 zu induzieren. Bei der Ventilanordnung 10 der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung ist ferner eine präzise und teure Abdichtung zwischen dem Ventilsitz 13 und der Kegelfläche 15 des Ventilglieds 11 nicht erforderlich. Die reversibel elastisch verformbaren Arme 14 dienen als definierte Federelemente, sodass die Ventilanordnung 10 ohne zusätzliche Rückstellelmente auskommt. Zur Dosierung der Einspritzmenge kann das Lagerelement 12 stufenlos eingestellt werden. Hierbei können zwei unterschiedliche Strategien gefahren werden. Bei der passiven Strategie wird das Lagerelement 14 auf eine konstante Schließkraft eingestellt, wobei bei längerem Betrieb jedoch eine plastische Verformung der Arme 14 und eine Reduzierung der Schließkraft auftreten kann. Bei der aktiven Strategie kann das Lagerelement 12, z. B. durch Piezoelemente, bei jeder Einspritzung individuell betätigt werden. Dadurch können z. B. Langzeiteffekte reguliert bzw. ausgeglichen werden, sowie die Einspritzmenge durch eine Regelung der Schließkraft eingestellt werden. Diese Strategie kann sowohl getrennt und in Kombination mit der Bestromungsdauer oder Bestromungshöhe des Aktors 21 der Aktuatorvorrichtung 20 angewendet werden. Dadurch kann eine Regulierung der Einspritzmenge, Einspritzdauer und Optimierung der Sprayeigenschaften erreicht werden, was reduzierte Abgasemissionen und einen geringeren Kraftstoffverbrauch zur Folge hat.

Claims (12)

  1. Einspritzvorrichtung zur Einspritzung eines Mediums, umfassend
    - eine Ventilanordnung (10) mit einem an einem Ventilsitz (13) abdichtenden Ventilglied (11), wobei die Ventilanordnung (10) im einzuspritzenden Medium (M) angeordnet ist,
    eine Aktuatorvorrichtung (20) mit einem Aktor (21), einem Kolben (22) und einem Rückstellelement (23), und
    - eine Impulsübertragungsvorrichtung (24), welche zwischen der Ventilanordnung (10) und der Aktuatorvorrichtung (20) angeordnet ist, welche die Ventilanordnung (10) von der Aktuatorvorrichtung (20) fluiddicht trennt, und welche einen von der Aktuatorvorrichtung (20) erzeugten Impuls auf das einzuspritzende Medium (M) überträgt, um dadurch die Ventilanordnung (10) zu öffnen und Medium (M) einzuspritzen,
    - wobei das Ventilglied (11) reversibel verformbar ist und durch den erzeugten Impuls verformt wird, um von dem Ventilsitz (13) abgehoben zu werden und Medium (M) einzuspritzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorvorrichtung (20) ferner einen Übertragungsraum (25) umfasst, welcher zwischen dem Kolben (22) und der Impulsübertragungsvorrichtung (24) angeordnet ist.
  2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungsraum (25) ein Vakuum enthält oder mit Flüssigkeit gefüllt ist.
  3. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (10) eine Lagereinrichtung (12) umfasst, wobei die Lagereinrichtung (12) im einzuspritzenden Medium (M) angeordnet ist und wobei die Lagereinrichtung (12) das Ventilglied (11) lagert.
  4. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (11) eine Vielzahl von verformbaren Armen (14) umfasst.
  5. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (11) mittels der Arme (14) an Lagerelementen an der Lagereinrichtung (12) gelagert ist.
  6. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (11) genau vier Arme (14) umfasst, welche in Winkeln von 90° angeordnet sind.
  7. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente an der Lagereinrichtung (12) verstellbar ausgebildet sind.
  8. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (11) ein nach außen öffnendes Ventilglied ist.
  9. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (11) eine Kegelfläche (15) umfasst.
  10. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsübertragungsvorrichtung (24) eine Membran (30), insbesondere aus Kevlar, oder einen Übertragungskolben (26) umfasst.
  11. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (21) ein Elektromagnet ist.
  12. Verfahren zur Einspritzung eines Mediums durch eine Einspritzvorrichtung, die eine Ventilanordnung (10), welche im einzuspritzenden Medium angeordnet ist, eine Aktuatorvorrichtung (20) und eine zwischen der Ventilanordnung (10) und der Aktuatorvorrichtung (20) angeordnete Impulsübertragungsvorrichtung (24) umfasst, wobei die Impulsübertragungsvorrichtung (24) die Ventilanordnung (10) von der Aktuatorvorrichtung (20) fluiddicht trennt, und wobei ein von der Aktuatorvorrichtung (20) erzeugter Impuls über die Impulsübertragungsvorrichtung (24) auf das Medium und dann auf die Ventilanordnung (10) übertragen wird, um eine Einspritzung von Medium auszuführen, wobei die Aktuatorvorrichtung (20) einen Übertragungsraum (25) umfasst, welcher zwischen einem Kolben (22) der Aktuatorvorrichtung (20) und der Impulsübertragungsvorrichtung (24) angeordnet ist.
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