EP2771564B1

EP2771564B1 - Hebelvorrichtung und einspritzventil

Info

Publication number: EP2771564B1
Application number: EP12816266.6A
Authority: EP
Inventors: Stefan Lehmann; Hellmut Freudenberg; Stefan Kohn; Robert Kuchler; Manuel Hannich; Roland Feigl; Wolfgang Wechler; Matthias Wicke
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: US20150021418A1; US9376993B2; DE102011090200A1; EP2771564A1; WO2013098155A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Hebelvorrichtung für ein Einspritzventil, mit einem Gehäuse, mindestens einem Hebelelement, einem Antriebselement und einem Abtriebselement. Die Erfindung betrifft ferner ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, das die Hebelvorrichtung und eine Ventilnadel aufweist, die mit dem Abtriebselement gekoppelt ist oder die das Abtriebselement bildet.
Einspritzventile für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs können Aktuatoren aufweisen, die insbesondere als Piezoaktuatoren ausgebildet sind. Derartige Aktuatoren weisen ein piezokeramisches Material auf. Derartige Aktuatoren können ihre Längsausdehnung verändern abhängig von einem elektrischen Feld, das in dem piezokeramischen Material wirkt. Piezoelektrische Aktuatoren, die als Stellglieder genutzt werden, insbesondere in Einspritzventilen für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, sind so in einem Gehäuse angeordnet, dass sie eine Hubbewegung in axialer Richtung ausführen können. Der Aktuator kann insbesondere mit einer Hebelvorrichtung gekoppelt sein, mittels der der Hub des Aktuators übersetzt werden kann.
Die internationle Offenlegungsschrift WO 2007/116007 A1 offenbart ein Einspritzventil mit einem Hebelelement in einer Gehäuseausnehmung des Einspritzventils, das die Abwärtsbewegung eines Aktors des Einspritzventils in eine Aufwärtsbewegung einer Düsennadel des Einspritzventil zu wandeln vermag.
Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Hebelvorrichtung für ein Einspritzventil zu schaffen, die dauerhaft zuverlässig ist. Die Aufgabe ist ferner, ein Einspritzventil zu schaffen, das eine lange Lebensdauer hat.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß eines ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Hebelvorrichtung für ein Einspritzventil, mit einem Gehäuse, das eine Gehäuseausnehmung aufweist, mindestens einem Hebelelement, das in der Gehäuseausnehmung angeordnet ist und einen Kopplungsabschnitt aufweist, der mit einem Abschnitt des Gehäuses gekoppelt ist, einem Antriebselement, das in der Gehäuseausnehmung angeordnet ist und mit dem mindestens einen Hebelelement gekoppelt ist zum Einwirken auf das mindestens eine Hebelelement in Richtung einer Kraftwirkungsachse, und einem in der Gehäuseausnehmung angeordneten Abtriebselement, das derart mit dem mindestens einen Hebelelement gekoppelt ist, dass das Abtriebselement mittels des mindestens einen Hebelelements in Richtung der Kraftwirkungsachse bewegbar ist. Der Kopplungsabschnitt des Hebelelements weist mindestens eine Ausnehmung auf, mittels der mindestens zwei Kontaktflächen des Kopplungsabschnitts ausgebildet sind, die voneinander beabstandet sind und an dem Abschnitt des Gehäuses anliegen.
Dies hat den Vorteil, dass das Hebelelement in einem Bereich zwischen den Kontaktflächen des Kopplungsabschnitts eine geringe Steifigkeit erreichen kann. Damit kann erreicht werden, dass mechanische Unregelmäßigkeiten an dem mindestens einen Hebelelement und/oder an dem Abschnitt des Gehäuses die Bewegung des Hebelelements nur gering beeinflussen und damit Veränderungen der Einspritzmengen gering sein oder vermieden werden können. Dadurch kann ein langfristig zuverlässiger Betrieb der Hebelvorrichtung und damit des Einspritzventils ermöglicht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die mindestens zwei Kontaktflächen des Kopplungsabschnitts als konvex gewölbte Flächen ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Reibung und der Verschleiß des Hebelelements sehr gering sein können. Beispielsweise kann ein wälzendes Abrollen des Hebelelements gegenüber dem Abschnitt des Gehäuses die Belastung der Kontaktflächen gering halten. Damit kann durch das mindestens eine Hebelelement ein dauerhaft zuverlässiger Betrieb der Hebelvorrichtung ermöglicht werden.
Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil, das die Hebelvorrichtung und eine Ventilnadel umfasst. Die Ventilnadel ist mit dem Abtriebselement gekoppelt oder bildet das Abtriebselement. Das Antriebselement und die Ventilnadel sind derart über die Hebelvorrichtung miteinander gekoppelt, dass die Ventilnadel in einer Schließposition einen Fluidfluss durch das Einspritzventil verhindert und diesen ansonsten freigibt. Aufgrund des Abstands zwischen den mindestens zwei Kontaktflächen des Kopplungsabschnitts kann ein solches Ventil dauerhaft zuverlässig betrieben werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung eines Einspritzventils,
Figur 2: und 2a Querschnitte durch eine Hebelvorrichtung in verschiedenen Ausführungsformen,
Figur 3: eine Aufsicht auf ein Hebelelement der Hebelvorrichtung,
Figur 4: eine Seitenansicht des Hebelelements,
Figur 5: ein Längsschnitt durch das Hebelelement,
Figur 6: eine weitere Ansicht des Hebelelements,
Figur 7: ein Längsschnitt durch das Hebelelement und einen Abschnitt eines Gehäuses des Einspritzventils,
Figur 8: ein Längsschnitt durch das Hebelelement und den Abschnitt des Gehäuses, und
Figur 9: eine weitere Aufsicht auf das Hebelelement.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt ein Ventil, insbesondere ein Einspritzventil 10 für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug.
Das Einspritzventil 10 hat ein Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 hat mehrere Abschnitte 12a, 12b. Das Gehäuse 12 hat insbesondere einen scheibenförmigen Abschnitt 12a, der zwischen zwei rohrförmigen Abschnitten 12b des Gehäuses 12 angeordnet ist. Der scheibenförmige Abschnitt 12a und die beiden rohrförmigen Abschnitte 12b sind fest miteinander gekoppelt und bilden zusammen das Gehäuse 12 aus. In dem Gehäuse 12 ist eine Gehäuseausnehmung 14 mit einem Fluideintritt 16 und einem Fluidaustritt 18 ausgebildet. Über einen nicht dargestellten Anschluss, der mit der Gehäuseausnehmung 14 hydraulisch gekoppelt ist, kann dem Einspritzventil 10 im Bereich des Fluideintritts 16 Kraftstoff zugeführt werden.
In der Gehäuseausnehmung 14 ist axial bewegbar eine Ventilnadel 20 angeordnet, die in einer Schließposition eine Einspritzdüse 22 verschließt und anderenfalls einen Kraftstofffluss durch die Einspritzdüse 22 ermöglicht.
Das Einspritzventil 10 umfasst einen piezoelektrischen Aktuator 24. Anstelle des piezoelektrischen Aktuators 24 kann auch ein anderer Aktuator vorgesehen sein, z.B. ein magnetostriktiver Aktuator oder ein elektromagnetischer Aktuator.
Das Einspritzventil 10 umfasst weiter ein mit dem Aktuator 24 gekoppeltes Antriebselement 26. Das Antriebselement 26 weist vorzugsweise einen Stift oder eine Stange auf, der beziehungsweise die den Hub und eine Antriebskraft des Aktuators 24 überträgt. Der Aktuator 24 und das Antriebselement 26 sind in axialer Richtung miteinander gekoppelt. Ein Hub des Antriebselements 26 ist abhängig von einer axialen Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators 24, die abhängig von einem Stellsignal ist, das dem piezoelektrischen Aktuator 24 zugeführt werden kann. Das Antriebselement 26 umfasst ferner ein vorzugsweise glockenförmiges Bauelement 27.
In der Gehäuseausnehmung 14 des Einspritzventils 10 ist ferner eine Hebelvorrichtung 28 angeordnet. Die Hebelvorrichtung 28 umfasst das Antriebselement 26 und ein Hebelelement 30 oder mehrere Hebelelemente 30. In den gezeigten Ausführungsformen hat die Hebelvorrichtung 28 zwei Hebelelemente 30 (siehe auch Figur 2). Die Hebelelemente 30 sind mit dem Antriebselement 26 gekoppelt. Ferner sind die Hebelelemente 30 mit einem Abtriebselement 32 gekoppelt. Das Abtriebselement 32 ist in der Gehäuseausnehmung 14 angeordnet. Das Abtriebselement 32 ist vorzugsweise mit der Ventilnadel 20 gekoppelt. Die Ventilnadel 20 kann auch das Abtriebselement 32 bilden. Das Antriebselement 26, das Hebelelement 30 und das Abtriebselement 32 wirken derart zusammen, dass der Hub des Antriebselements 26 auf die Ventilnadel 20 übertragen wird und dass die Ventilnadel 20 damit in ihre Schließposition oder in eine Offenposition bewegt wird.
Eine Kraftwirkungsachse A einer Antriebskraft des Antriebselements 26 verläuft durch das Antriebselement 26 und als Kraftwirkungsachse einer Abtriebskraft weiter durch das Abtriebselement 32. In weiteren Ausführungsformen ist die Kraftwirkungsachse durch das Antriebselement 26 versetzt zu der Kraftwirkungsachse durch das Abtriebselement 32.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Hebelvorrichtung 28 in einem Querschnitt.
Die Hebelelemente 30 haben jeweils einen Kopplungsbereich 134. In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform hat das Abtriebselement 32 zwei plane Wandabschnitte 136. Die planen Wandabschnitte 136 liegen einander bezüglich der Kraftwirkungsachse A des Abtriebselements 32 gegenüber. Des Weiteren haben die Kopplungsbereiche 134 der Hebelelemente 30 jeweils einen planen Wandabschnitt 138. Die planen Wandabschnitte 138 der Hebelelemente 30 sind den planen Wandabschnitten 136 des Abtriebselements 32 zugeordnet. Jeweils einer der planen Wandabschnitte 138 des Hebelelements 30 liegt einem planen Wandabschnitt 136 des Abtriebselements 32 gegenüber. Damit wirken die planen Wandabschnitte 136 des Abtriebselements 32 mit den planen Wandabschnitten 138 des Hebelelements 30 zusammen, und ermöglichen somit, dass die Hebelelemente 30 mit dem Abtriebselement 32 drehfest bezüglich der Kraftwirkungsachse A gekoppelt sind. Damit kann erreicht werden, dass sich die Hebelelemente 30 nicht mehr gegenüber der Ventilnadel 20 drehen können. Damit können auch die Verhältnisse bei der Einspritzung des Einspritzventils 10 über viele Einspritzvorgänge konstant gehalten werden.
In der in Figur 2a gezeigten Ausführungsform der Hebelvorrichtung 28 haben die Kopplungsbereiche 134 der Hebelelemente 30 plane Wandabschnitte 138. Die Gehäuseausnehmung 14 des Gehäuses 12 hat zwei plane Wandabschnitte 140, die einander bezüglich der Kraftwirkungsachse A gegenüberliegen. Jeweils einer der planen Wandabschnitte 138 eines der Hebelelemente 30 wirkt mit einem der planen Wandabschnitte 140 der Gehäuseausnehmung 14 zusammen. Dadurch kann erreicht werden, dass das Hebelelement 30 mit dem Gehäuse 12 drehfest bezüglich der Kraftwirkungsachse A gekoppelt ist. Durch die drehfeste Kopplung der Hebelelemente 30 mit dem Gehäuse 12 ist es möglich, dass die Kontaktbedingungen zwischen den Hebelelementen 30 und dem Gehäuse 12 über einen langen Zeitraum konstant gehalten werden können. Damit kann auch das Einspritzverhalten des Einspritzventils 10 über einen langen Zeitraum konstant gehalten werden.
Die Figuren 3 bis 6 zeigen eine Ausführungsform des Hebelelements 30 in verschiedenen Ansichten.
Das Hebelelement 30 hat einen Kopplungsabschnitt 34. Der Kopplungsabschnitt 34 ist mit dem scheibenförmigen Abschnitt 12a des Gehäuses 12 gekoppelt (siehe auch Figur 1). Der Kopplungsabschnitt 34 hat eine Ausnehmung 36. Die Ausnehmung 36 ist derart ausgebildet, dass an dem Kopplungsabschnitt 34 zwei Kontaktflächen 38 ausgebildet sind, die voneinander beabstandet sind. Die zwei Kontaktflächen 38 des Kopplungsabschnitts 34 liegen an einer Kontaktfläche 40 des scheibenförmigen Abschnitts 12a des Gehäuses 12 an. Die Kontaktfläche 40 des scheibenförmigen Abschnitts 12a des Gehäuses 12 hat eine Flächennormale, die parallel zu der Kraftwirkungsachse A ist.
In der in den Figuren 3 bis 6 gezeigten Ausführungsform des Hebelelements 30 sind die zwei Kontaktflächen 38 des Kopplungsabschnitts 34 als konvex gewölbte Flächen ausgebildet. Damit kann erreicht werden, dass sich das Hebelelement 30 wälzend gegenüber dem scheibenförmigen Abschnitt 12a des Gehäuses 12 abrollen kann.
Im Folgenden soll die Funktionsweise des Hebelelements 30 mit der Ausnehmung 36 des Kopplungsabschnitts 34 anhand der Figuren 7 und 8 erläutert werden:
In Figur 7 weist der scheibenförmige Abschnitt 12a des Gehäuses 12 eine Erhebung 44 auf, die zwischen den Kontaktflächen 38 des Kopplungsabschnitts 34 im Bereich der Ausnehmung 36 des Kopplungsabschnitts 34 liegt. Aufgrund der Ausbildung der Ausnehmung 36 des Kopplungsabschnitts 34 kann sich das Hebelelement 30 ohne Beeinflussung durch die Erhebung 44 gegenüber dem scheibenförmigen Abschnitt 12a des Gehäuses 12 abstützen. Eine Bewegung des Hebelelements 30 gegenüber dem scheibenförmige Abschnitt 12a des Gehäuses 12 über die Kontaktflächen 38 des Kopplungsabschnitts 34 und die Kontaktfläche 40 kann so ungestört von der Erhebung 44 erfolgen.
In Figur 8 hat der scheibenförmige Abschnitt 12a des Gehäuses 12 eine weitere Erhebung 44a, die im Bereich einer der Kontaktflächen 38 des Kopplungsabschnitts 34 liegt. Aufgrund der Ausbildung der Ausnehmung 36 des Kopplungsabschnitts 34 hat das Hebelelement 30 im Bereich der Ausnehmung 36 eine geringe Steifigkeit. Damit kann erreicht werden, dass bei einer Bewegung des Hebelelements 30 gegenüber dem scheibenförmige Abschnitt 12a des Gehäuses 12 das Hebelelement 30 im Bereich der Ausnehmung 36 nachgeben kann. Damit kann erreicht werden, dass die weitere Erhebung 44a nur einen geringen Einfluss auf die Bewegung des Hebelelements 30 und damit die Bewegung des Abtriebselements 32 hat.
Das Hebelelement 30 weist weitere Kopplungsabschnitte 42a, 42b auf (Figur 9) . Einer der weiteren Kopplungsabschnitte 42a ist mit dem Abtriebselement 32 gekoppelt. Ein anderer der weiteren Kopplungsabschnitte 42b ist mit dem glockenförmigen Bauelement 27 des Antriebselements 26 gekoppelt (siehe Figur 1). In der in Figur 9 gezeigten Ausführungsform ist der weitere Kopplungsabschnitt 42a, der mit dem Abtriebselement 32 gekoppelt ist, derart gegenüber dem weiteren Kopplungsabschnitt 42b, der mit dem Antriebselement 26 gekoppelt ist, angeordnet, dass zwischen den weiteren Kopplungsabschnitten 42a, 42b ein möglichst großer Abstand an dem Hebelelement 30 erreicht wird. Durch die Ausbildung eines möglichst großen Abstands zwischen den weiteren Kopplungsabschnitten 42a, 42b kann das Hebelelement 30 im Bereich zwischen den weiteren Kopplungsabschnitten 42a, 42b eine geringere Steifigkeit haben als im Bereich der weiteren Kopplungsabschnitte 42a, 42b. Damit kann erreicht werden, dass bei einer Bewegung des Hebelelements 30 gegenüber dem Antriebselements 26 beziehungsweise dem Abtriebselement 32 das Hebelelement 30 im Bereich zwischen den weiteren Kopplungsabschnitten 42a, 42b nachgeben kann. Damit kann erreicht werden, dass mechanische Unregelmäßigkeiten an dem Antriebselement 26 beziehungsweise dem Abtriebselement 32 nur einen geringen Einfluss auf die Bewegung des Hebelelements 30 und in der Folge auf die Bewegung des Abtriebselements 32 hat.
Durch die Ausbildung der Hebelelemente 30 mit der Ausnehmung 36 des Kopplungsabschnitts 34 kann erreicht werden, dass die Hebelelemente 30 auch über eine Vielzahl von Einspritzvorgängen mit dem scheibenförmigen Abschnitt 12a des Gehäuses 12 zusammenwirken können, ohne dass sich das Übertragungsverhalten zwischen den Hebelelementen 30 und dem scheibenförmigen Abschnitt 12a des Gehäuses 12 entscheidend verändert. Dadurch können auch über eine Vielzahl von Einspritzvorgängen des Einspritzventils 10 stabile Einspritzverhältnisse des Einspritzventils 10 erreicht werden. Dadurch kann erreicht werden, dass sich Bauteiltoleranzen insbesondere des Hebelelements 30 und/oder des scheibenförmigen Abschnitts 12a des Gehäuses 12, wie beispielsweise durch die Erhebungen 44, 44a nur in geringem Maße oder gar nicht auf die Einspritzmengen des Einspritzventils 10 auswirken.

Claims

Hebelvorrichtung (28) für ein Einspritzventil, mit
- einem Gehäuse (12), das eine Gehäuseausnehmung (14) aufweist,

- mindestens einem Hebelelement (30), das in der Gehäuseausnehmung (14) angeordnet ist und einen Kopplungsabschnitt (34) aufweist, der mit einem Abschnitt (12a) des Gehäuses (12) gekoppelt ist,

- einem Antriebselement (26), das in der Gehäuseausnehmung (14) angeordnet ist und mit dem mindestens einen Hebelelement (30) gekoppelt ist zum Einwirken auf das mindestens eine Hebelelement in Richtung einer Kraftwirkungsachse (A), und

- einem in der Gehäuseausnehmung (14) angeordneten Abtriebselement (32), das derart mit dem mindestens einen Hebelelement (30) gekoppelt ist, dass das Abtriebselement (32) mittels des mindestens einen Hebelelements (30) in Richtung der Kraftwirkungsachse (A) bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsabschnitt (34) des Hebelelements (30) mindestens eine Ausnehmung (36) aufweist, mittels der mindestens zwei Kontaktflächen (38) des Kopplungsabschnitts (34) ausgebildet sind, die voneinander beabstandet sind und an dem Abschnitt (12a) des Gehäuses (12) anliegen.
Hebelvorrichtung (28) nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Kontaktflächen (38) des Kopplungsabschnitts (34) als konvex gewölbte Flächen ausgebildet sind.
Einspritzventil (10), das aufweist
- eine Hebelvorrichtung (28) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

- eine Ventilnadel (20), die mit dem Abtriebselement (32) gekoppelt ist oder die das Abtriebselement (32) bildet,
bei dem das Antriebselement (26) und die Ventilnadel (20) derart über die Hebelvorrichtung (28) miteinander gekoppelt sind, dass die Ventilnadel (20) in einer Schließposition einen Fluidfluss durch das Einspritzventil (10) verhindert und ansonsten einen Fluidfluss durch das Einspritzventil (10) freigibt.