WO2009068263A1

WO2009068263A1 - Fluid-einspritzventil mit nadellängung

Info

Publication number: WO2009068263A1
Application number: PCT/EP2008/010028
Authority: WO
Inventors: Andreas GRÜNDL; Bernhard Hoffmann; Friedrich MÖRTL
Original assignee: Compact Dynamics Gmbh
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2009-06-04
Also published as: DE102007056988A1; DE102007056988B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluid-Einspritzventil (10) mit einem Einlass (12), der dazu eingerichtet ist, Fluid aus einer Zuführ-Leitung aufzunehmen, und mit einer Kammer (14) verbunden ist, einem Fluid-Auslass (52), der mit der Kammer (14) verbunden ist und der dazu eingerichtet ist, Fluid aus dem Fluid-Einspritzventil (10) abzugeben, und einer Ventilanordnung (46, 48) mit einem Ventilsitz (48) und einem sich entlang einer Längsachse erstreckenden Ventilglied (46), wobei das Ventilglied (46) dazu eingerichtet ist, relativ zu dem Ventilsitz (48) Öffnungs- und Schließbewegungen auszuführen, einem Linearaktor, der dazu eingerichtet ist, das Ventilglied (46) relativ zu dem Ventilsitz (48) zu bewegen, und mit einer ersten Federanordnung (30), die auf das Ventilglied (46) eine Federkraft ausübt, wobei das Ventilglied (46) derart längenvariabel ausgebildet ist, dass seine Länge in Abhängigkeit von einem in der Kammer (14) herrschenden Fluiddruck veränderbar ist.

Description

Fluid-Einspritzventil mit Nadellängung

Beschreibung

Hintergrund

Die Erfindung betrifft ein Fluid-Einspritzventil. Derartige Ventile werden beispielswei- se zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine genutzt.

Das hier offenbarte Fluid-Einspritzventil ist sowohl bei direkt einspritzenden, als auch bei konventionellen, in das Saugrohr einspritzenden Motoren zu verwenden. Es ist jedoch nicht auf Kraftstoff-Einspritz-Systeme beschränkt, wobei unter Kraftstoff in diesem Zusammenhang sowohl Kohlenwasserstoffe als auch Wasserstoff verstanden sei. Auch in anderen Anwendungen, bei denen das präzise gesteuerte und/oder dosierte Einbringen von Fluid in einen Raum, eine Einsatzregion, oder eine Arbeitskammer gefordert oder wünschenswert ist, kann das Einspritzventil gemäß der vor- liegenden Erfindung eingesetzt werden.

Anhand eines Fluid-Einspritzventils für eine Kraftstoff-Einspritzung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine wird im Folgenden die Struktur und die Wirkungsweise erläutert.

Aus stetig steigenden Anforderungen der Abgasgesetzgebung mit weiter sinkenden Grenzwerten ergibt sich die Herausforderung, durch eine Optimierung des Einspritzvorgangs von Kraftstoff in die Brennkammer die Entstehung von Schadstoffen in der Brennkammer gegenüber herkömmlichen Brennkraftmaschinen zu reduzieren. Kri- tisch sind insbesondere CO₂-, NO_x- und Feinstaub-Emissionen. Durch die Entwicklung von Einspritzsystemen mit immer höheren Einspritzdrücken und hochdynamischen Injektoren, sowie durch gekühlte Abgasrückführung und Oxidationskatalysatoren ist es zwar möglich, gegenwärtige Grenzwerte einzuhalten. Allerdings scheint das Poten^¬ zial der bisherigen Maßnahmen zur Emissionsreduzierung weitgehend ausgeschöpft zu sein. Für eine "saubere" Verbrennung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen aber auch bei anderen Einsatzzwecken ist es wichtig, das Fluid, also zum Beispiel den Kraftstoff, besonders präzise zu dosieren und mit einer exakten Reproduzierbarkeit über eine Vielzahl von Einspritzzyklen auch variable Mengen abzugeben. Bei bekannten Ein- 5 spritzsystemen ist es jedoch nur schwer möglich, die Genauigkeit der Dosierung mit der, zum Beispiel für eine schnell laufende Verbrennungsmaschine erforderlichen Dynamik zu steuern.

Stand der Technik

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Zur Vermeidung von unerwünschten Druckschwankungen in den einzelnen Brennkammern der Zylinder einer Brennkraftmaschine sind sogenannte Speichereinspritzsysteme (englisch: "Common RaH"- Systeme) mehr und mehr im Einsatz. Derartige Speichereinspritzsysteme haben eine voneinander vollständig entkoppelte Drucker- i5 zeugung und Kraftstoffeinspritzung. Eine separate Hochdruckpumpe erzeugt für alle Einspritzventile eines Verbrennungsmotors kontinuierlich Druck in der Kraftstoffzufuhrleitung. Damit wird der Kraftstoffdruck unabhängig von der Einspritzfolge aufgebaut und steht in der Kraftstoffleitung permanent zur Verfügung. Trotz dieser Maßnahme treten Druckschwankungen auf, die sich auf die in den Brennraum inji-

2o zierte Menge des Kraftstoffs auswirken. Der ständig anstehende hohe Druck von mehr als 1350 bar wird in der so genannten Rail (= Schiene, Leitung) gespeichert und über kurze Einspritzleitungen den schnell schaltenden Piezo- oder Magnetventilen (Injektoren) einer Zylinderbank des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt.

25 Insbesondere bei nach innen öffnenden Ventilen besteht das folgende Problem: Bei geschlossenem Ventil wirken aufgrund des hohen Drucks im Ventilgehäuse (2000 bis 2500 bar und mehr) sehr hohe Schließ- oder Haltekräfte auf das auf dem Ventilsitz aufsitzende Ventilglied. Diese Kräfte sind von einem gesteuerten Aktor beim Öffnen des Ventils zu überwinden. Daher muss der (zum Beispiel elektromagnetisch oder

3o piezoelektrisch arbeitende) Aktor entsprechend leistungsstark ausgebildet sein. Somit bauen herkömmliche Elektromagnet- oder Piezo-Aktoren relativ groß und benötigen hohe elektrische Leistung. Darüber hinaus sind auch die ihn betreibende elektronische Ansteuerung und die Steuerleitungen entsprechend (elektrisch und mechanisch) zu dimensionieren.

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Es gibt Studien (von FIAT) für ein Fluid-Einspritzventil zur Kraftstoff-Einspritzung mit einem an das Ventilglied gekoppelten Kolben, der eine Kraft entgegengesetzt zur Schließkraft erzeugt. Der Kolben ist dabei so bemessen, dass er das Ventilglied abhängig vom Druck im Innern des Ventilgehäuses so entlastet, dass es zu jeder Zeit mit der annähernd gleichen geringen Schließkraft belastet wird. Der Kolben gibt beim Öffnen des Ventils eine drucklose Kraftstoff-Rückführung zum Kraftstofftank frei. 5 Dieser Kolben und eine ihn umschließende Buchse müssen dabei sehr präzise gefertigt werden; außerdem sind sie einem nennenswerten Verschleiß über die Lebensdauer des Fluid-Einspritzventils unterworfen. Die hier erforderliche drucklose Rückführung des Kraftstoffs stellt einen erheblichen Aufwand hinsichtlich Raumbedarf und Fertigung dar.

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Es hat sich ferner gezeigt, dass aufgrund der extrem hohen Drücke von bis zu 2500 bar, die innerhalb eines Gehäuses des Fluid-Einspritzventils auftreten, Gehäuselän- gungen auftreten können. Das in dem Gehäuse über einen Aktor linear beweglich geführte Ventilglied unterliegt allerdings aufgrund der gleichmäßig auf dieses einwir- i5 kenden Drücke derartigen Längungserscheinungen nicht. Dadurch kommt es zu dem Problem, dass die Länge des Ventilglieds nicht mehr mit der Länge der mit diesem zusammenwirkenden gehäusefesten Komponenten des Fluid-Einspritzventils zusam- menpasst. Insbesondere zeigt sich dies bei der Wechselwirkung des Ventilglieds mit den antreibenden Komponenten des Aktors. Beispielsweise kann es aufgrund der

20 Gehäuselängung zu einer Veränderung des Abstands eines ventilgebundenen Ankers mit einem gehäusefesten Stator kommen, so dass sich je nach Längung des Gehäuses aufgrund der Veränderung des Abstands dieser Komponenten auch das Ansprechverhalten des Ventilglieds in Reaktion auf eine gezielte Ansteuerung des Stators in unerwünschter Weise verändert. Darunter kann in erheblichem Maße die

25 Präzision hinsichtlich der eingespritzten Kraftstoffmenge leiden.

Zugrunde liegendes Problem

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fluid-Einspritzventil der eingangs o bezeichneten Art bereitzustellen, mit welchem Problem eines druckabhängigen Ansprechverhaltens mit einfachen Mitteln begegnet werden kann.

Erfindungsgemäße Lösung 5 Diese Aufgabe wird durch ein Fluid-Einspritzventil gelöst mit einem Einlass, der dazu eingerichtet ist, Fluid aus einer Zufuhr-Leitung aufzunehmen, und mit einer Kammer verbunden ist, einem Fluid-Auslass, der mit der Kammer verbunden ist und der dazu eingerichtet ist, Fluid aus dem Fluid-Einspritzventil abzugeben, und einer Ventilanordnung mit einem Ventilsitz und einem sich entlang einer Längsachse erstreckenden Ventilglied, wobei das Ventilglied dazu eingerichtet ist, relativ zu dem Ventilsitz Öff- nungs- und Schließbewegungen auszuführen, einem Linearaktor, der dazu eingerich- tet ist, das Ventilglied relativ zu dem Ventilsitz zu bewegen, und mit einer ersten

Federanordnung, die auf das Ventilglied eine Federkraft ausübt, wobei das Ventilglied derart längenvariabel ausgebildet ist, dass seine Länge in Abhängigkeit von einem in der Kammer herrschenden Fluiddruck veränderbar ist.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, das Ventilglied längenvariabel auszubilden, wobei seine Länge in Abhängigkeit von dem in der Kammer innerhalb des Ventilgehäuses herrschenden Fluiddruck veränderbar ist. Mit anderen Worten passt sich das Ventilglied nach Maßgabe des in der Kammer herrschenden Fluiddrucks der Längung des Ventilgehäuses an, so dass die negativen Effekte, die sich hinsichtlich des AnSprechverhaltens und der Einspritzpräzision aufgrund der Längenänderung des Gehäuses, insbesondere bei hohen Fluiddrücken im Ventilgehäuse, ergeben, durch entsprechende Längung des Ventilglieds kompensiert werden können. Dadurch lässt sich gewährleisten, dass sich bei jedem beliebigen Druck innerhalb des Ventilgehäuses - im betriebsrelevanten Druckbereich - die Länge des Ventilglieds an die gegen- wärtige Drucksituation in gleicher Weise anpasst, wie die Länge des Ventilgehäuses druckbedingt schwankt. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme eines längenvariablen Ventilglieds lässt sich ein Einspritzventil mit guter und druckunabhängiger Einspritzpräzision unter Verwendung einfacher konstruktiver Mittel bereitstellen.

Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Ventilglied mit einem scheibenförmigen Ankerabschnitt und mit einem von diesem ausgehenden Ventilschaftabschnitt ausgebildet ist, wobei der Ventilschaftabschnitt mit wenigstens einem Längungsbereich versehen ist. Der Längungsbereich ist speziell für den Längenausgleich ausgebildet, wie im Folgenden nach im Detail erklärt werden wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch die Elastizität des Län- gungsbereichs auch das Aufsetzen des Ventilglieds auf den Ventilsitz gedämpft wird. Dadurch lassen sich die maximal erforderlichen Schließkräfte reduzieren. Gleiches gilt auch für das Öffnen des Ventils. Durch die Elastizität des Längungsbereichs wird dieser zunächst gestreckt, weil das Ventilglied mit seinen ventilsitzfernen Abschnitten schon beginnt, sich zu bewegen, während der untere Bereich (Ventilkörper) des Ventilglieds noch durch den im Ventilgehäuse herrschenden hohen Innendruck an den Ventilsitz gepresst bleibt. Der Ventilsitz bleibt zunächst also druckbedingt noch verschlossen. Das Ventilglied nimmt quasi mit seinen sich bereits bewegenden Abschnitten „kinetische Energie" auf oder anders ausgedrückt, es nimmt „Anlauf oder „Schwung", während sein unterer Bereich (Ventilkörper) noch durch den im Ventilgehäuse herrschenden Innendruck an den Ventilsitz gepresst bleibt. Schließlich wird aber der den Ventilsitz verschließende Ventilkörper vom Ventilsitz abgehoben. Durch die Anlaufphase, in der sich der Längungsbereich geringfügig streckt, erfolgt das Abheben des Ventilkörpers vom Ventilsitz mit „Schwung". Insgesamt lassen sich durch diesen Efffekt die Betätigungskräfte reduzieren.

Hinsichtlich des Längungsbereichs gibt es erfindungsgemäß verschiedene Ausführungsvarianten. Gemäß einer Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass der Ventilschaftabschnitt zumindest im Längungsbereich mit einem gegenüber der Kam- mer abgedichteten Hohlraum ausgebildet ist. Die Abdichtung gegenüber der Kammer ist erforderlich, damit kein Druckausgleich zwischen der Kammer und dem Hohlraum stattfindet, der eine Längung verhindern würde. Vielmehr wirkt der Hohlraum im Längungsbereich wie eine Art "Ballon", der in Abhängigkeit von dem innerhalb der Kammer herrschenden Druck mehr oder weniger stark zusammengedrückt wird. In Abhängigkeit von dem auf den Längungsbereich wirkenden Außendruck in der Kammer wird also der Hohlraum mehr oder weniger stark komprimiert und es kommt zu einer der Komprimierung entsprechenden mehr oder weniger stark ausgebildeten Längung des Längungsbereichs. Bei hohen Drücken erfolgt demnach eine stärkere Komprimierung des Hohlraums und eine entsprechend große Längung, wohingegen bei niedrigeren Drücken die Längung kleiner ausfällt.

Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Längungsbereich bauchig ausgebildet ist. Vorzugsweise kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass der Längungsbereich an seiner Außenkontur stetig aus- gebildet ist. Hierdurch können durch Unstetigkeiten in der Außenkontur hervorgerufene Spannungsspitzen im Längungsbereich vermieden werden. Alternativ hierzu kann aber auch vorgesehen sein, dass der Längungsbereich an seiner Außenkontur mit wenigstens einer Knickstelle ausgebildet ist. Die Knickstellen sind dabei so ausgebildet, dass Spannungsspitzen weitgehend vermieden werden und diese als "Soll-Verformungsbereiche" druckabhängig wirken. So lässt sich beispielsweise mit einem rautenförmigen oder im Querschnitt sechseckförmigen Längungsbereich ein gewünschtes Deformationsverhalten in Abhängigkeit von dem herrschenden FIu- iddruck innerhalb der Kammer erreichen.

Neben der erfindungsgemäßen Maßnahme, durch geeignete Wahl der Geometrie 5 eines einzelnen bauchigen Längungsbereichs ein bestimmtes Längungsverhalten in Abhängigkeit der auftretenden Drücke zu erreichen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Längungsbereich in einem achsenhaltenden Schnitt betrachtet eine Mehrzahl von bauchigen Hohlräumen aufweist. Auf diese Art und Weise können insbesondere länger ausgebildete Ventilglieder bei entsprechend lang ausge- lo bildeten Ventilgehäusen und dem entsprechend auftretenden großen druckbedingten Längungen des Ventilgehäuses dazu ausgebildet werden, entsprechend große Längenänderungen zu vollziehen.

Hinsichtlich der Herstellung des Ventilglieds ist Folgendes anzumerken. Grundsätzlich i5 kann das gesamte Ventilglied als Hohlkörper ausgebildet sein, beispielsweise im

Bereich des Ventilschafts rohrförmig. Alternativ ist es aber auch möglich, das Ventilglied lediglich im Längungsbereich hohl auszubilden, beispielsweise derart, dass es aufgebohrt wird oder dass es als Rohrstück mit Ausbauchung hergestellt und in den Ventilschaft „eingesetzt" wird. Wird lediglich der Ventilschaft lokal im Längungsbe-

20 reich mit einem Hohlraum versehen, so ist es erforderlich, später den Ventilschaft wieder mit dem Rest den Ventilglieds zu verbinden. In diesem Zusammenhang kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Ventilglied an oder nahe seines Längungsbereichs wenigstens eine Verbindungsstelle, insbesondere eine Schweißnaht, aufweist. Wird der Längungsbereich von einem Rohrstück gebildet, so wird er jeweils

25 endseitig mit entsprechenden Schaftabschnitten über jeweils eine Verbindungsstelle verbunden. Wichtig ist, dass die Verbindungsstelle - auch bei den extrem hohen in der Ventilkammer auftretenden Drücken - fluiddicht ausgebildet ist, um den vorstehend bereits angesprochenen Druckausgleich zwischen Kammer und Hohlraum innerhalb des Ventilglieds zu vermeiden. Hinsichtlich der Anordnung der

3o Verbindungsstelle kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Verbindungsstelle im Bereich des maximalen Durchmessers des Längungsbereichs liegt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Verbindungsstelle den Längungsbereich endseitig begrenzt. 5 Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Ventilglied in seinem Längungs^¬ bereich mit variabler Wandstärke ausgeführt ist. Aus Gründen der Einfachheit ist es erf indungsgemäß aber ebenso möglich, den Längungsbereich mit konstanter Wandstärke auszuführen.

Alternativ oder zusätzlich zu einem hohl ausgebildeten Ventilglied sieht eine Weiter- bildung der Erfindung vor, dass das Ventilglied in seinem Längungsbereich mit einer bauchigen Streckhülse versehen ist, die an dem Ventilschaft dichtend angebracht ist und mit diesem einen ringförmigen Hohlraum einschließt. Um eine Längung des Ventilschafts im Bereich der bauchigen Streckhülse zu vereinfachen, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass der Ventilschaft im Bereich der Streckhül- se mit einem reduzierten Durchmesser oder mit reduzierter Wandstärke ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Linearaktor eine Elektromagnetanordnung aufweist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Ventilglied für ein Fluid-Einspritzventil der vorstehend beschriebenen Art, wobei das Ventilglied derart längenvariabel ausgebildet ist, dass seine Länge in Abhängigkeit von einem in der Kammer herrschenden Fluiddruck veränderbar ist.

Weitere Vorteile, Ausgestaltungen oder Variationsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren in denen die Erfindung im Detail erläutert ist.

Kurzbeschreibunα der Figuren

Fig. Ia zeigt eine schematische Darstellung im Längsschnitt durch ein Fluid- Einspritzventil in geschlossener Stellung.

Fig. Ib zeigt eine schematische Darstellung im Längsschnitt durch das Fluid- Einspritzventil gemäß Fig. Ia in geöffneter Stellung.

Fig. 2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Federelements.

Fig.3 zeigt ein Ventilglied gemäß der vorliegenden Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel. Fig.4 zeigt ein Ventilglied gemäß der vorliegenden Erfindung in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

5 Fig.5 zeigt ein Ventilglied gemäß der vorliegenden Erfindung in einem dritten Ausführungsbeispiel.

Fig.6 zeigt ein Ventilglied gemäß der vorliegenden Erfindung in einem vierten Ausführungsbeispiel.

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Fig.7 zeigt ein Ventilglied gemäß der vorliegenden Erfindung in einem fünften Ausführungsbeispiel.

Fig.8 zeigt ein Ventilglied gemäß der vorliegenden Erfindung in einem sechsten i5 Ausführungsbeispiel.

In den Fig. vorhandene Proportionen und Dimensionen sind im Verhältnis zu realen Anordnungen von Fluid-Einspritzventilen nicht unbedingt maßstäblich. Vielmehr dienen sie der besseren Darstellung der zu veranschaulichenden Sachverhalte.

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Detaillierte Beschreibung der Figuren

In Fig. Ia ist ein Fluid-Einspritzventil mit einem zu einer Mittellängsachse M im we- 25 sentlichen rotationssymmetrischen Gehäuse 10 im schematischen Längsschnitt in einer geschlossenen Stellung gezeigt, während in Fig. Ib ein solches Fluid- Einspritzventil in einer geöffneten Stellung gezeigt ist. Ein solches Fluid-Einspritzventil kann dazu dienen, Fluid in Form von Kraftstoff in den - nicht weiter veranschaulichten - Brennraum einer Brennkraftmaschine direkt einzuspritzen. Das Fluid-Einspritzventil o 10 hat (in Fig. Ia oben) einen zentralen Fluid-Einlass 12, durch den Fluid aus einer - nicht weiter veranschaulichten - Fluid-Verteil-Leitung zu einer Kammer 14 des Fluid- Einspritzventils 10 strömen kann.

Die Kammer 14 des Fluid-Einspritzventils 10 hat eine im Querschnitt im Wesentlichen 5 kreiszylindrische Gestalt. Im Abstand zu dem Einlass 12 ist eine Elektromagnet- Anordnung 22 angeordnet. Die Elektromagnet-Anordnung 22 hat einen im Inneren der Kammer 14 angeordneten, aus Weicheisen(-platten) geformten Ständer 24 mit im Querschnitt im Wesentlichen kreisringzylindrischer Gestalt und einen ebenfalls im Inneren der Kammer 14 angeordneten, im Wesentlichen kreiszylindrischen scheibenförmigen Anker als Läufer 26, der als Teil eines Ventilglieds 46 ausgebildet ist. Dabei ist der Ständer 24 als Multipolständer mit langgestreckten, nebeneinander oder kon- zentrischen, im Abstand angeordneten Ständerpolen 24a ausgebildet. Mehrere Erregerspulen 24b sind in dem Ständer 24 den jeweiligen Ständerpolen 24a diese umgebend zugeordnet. Gleichermaßen kann der scheibenförmige Anker 26 als Multi- polanker ausgebildet sein, dessen Ankerpole auf die jeweiligen Ständerpole ausgerichtet sind. Damit kann sich der Anker 26 entlang der Mittellängsachse M bewegen. Der Anker/Läufer 26 ist an seiner anderen (in Fig. 1 unteren) Stirnfläche mit einer Ventilnadel 34 starr verbunden. Die Ventilnadel 34 reicht durch eine zentrale Öffnung in dem Ständer 24 und trägt an ihrem freien Ende (in Rg. 1 unten) einen Ventilkörper 47, der längs der Mittelachse M längsbeweglich ist. Der Ventilkörper 47 ist Teil einer Ventilanordnung 47, 48 mit dem Ventilkörper 47 und einem Ventilsitz 48, um das Fluid in gesteuerter Weise auszustoßen. Der Ventilsitz 48 verjüngt sich in Strömungsrichtung konisch; entsprechend ist der Ventilkörper 47 geformt und wirkt mit dem Ventilsitz 48 zusammen. Der Ventilkörper 47 wird durch die Ventilnadel 34 gegenüber dem mit dem Ventilkörper 47 zusammenwirkenden und stromabwärts zu dem Fluid-Einlass 12 angeordneten ortsfesten Ventilsitz 48 zwischen einer Offen- Stellung und einer Geschlossen-Stellung (in Fig. 1 auf und ab) bewegt. Der Ventilsitz ist dazu in eine Buchse 36 eingearbeitet, welche die Kammer 14 abschließt.

Zwischen dem Ständer 24 und dem Anker 26 ist ein quer zur Bewegungsrichtung des Ankers 26 orientierter Arbeitsluftspalt gebildet. Dabei stellt der Unterschied zwischen der minimalen und der maximalen Erstreckung des Arbeitsluftspalts in Richtung der Mittellängsachse M den Hub dar, um den das Ventilglied 46 vom Ventilsitz 48 abheben kann.

Der Ständer 24 ist von einem Ringspalt 44 umgeben, durch den in der Kammer 14 befindliches Fluid zu der Ventilanordnung 46, 48 gelangen kann.

Der Multipolständer 24 hat eine Anordnung von mehreren im Querschnitt oder in der Draufsicht zylindrischen, mehreckigen Polstegen 24a die in einer Fläche angeordnet sind. Diese im vorliegenden Beispiel rechteckigen Polstege 24a können in der Drauf- sieht auch im Wesentlichen quadratisch oder trapezförmig geformt sein. Sie sind von einer oder mehreren Spulenanordnungen 24b umgeben. Dabei ist in der vorliegenden Ausführungsform jedem Polsteg 24a eine eigene Spulenanordnung zugeordnet, die ihn umgibt. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Spulenanordnung um mehrere Polstege gewunden ist. Es versteht sich jedoch, dass die Spulenanordnungen sich den Raum zwischen zwei benachbarten Polstegen teilen können. Der Multipolständer kann aus einstückigem Weicheisen gebildet sein, aus dem die Polstege bzw. die Zwi- schenräume ausgeformt sind. In ein derartiges einstückiges Weicheisen-Formteil können Ausnehmungen in Form von Schlitzen, in der Draufsicht längsverlaufenden Rillen, oder Langlöchern eingearbeitet sein. Es ist aber auch möglich, die Magnetjochanordnung als Formteil aus gesintertem Eisenpulver herzustellen oder aus einer Vielzahl von Blechlagen oder aus mehreren Teilstücken zu montieren und zu ggf. verkleben.

Der Anker 26 ist eine kreisrunde weicheisenhaltige Scheibe mit einer weiter unten im Detail beschriebenen Gestalt. Der Multipolständer 24 und der Anker 26 überlappen sich in radialer Richtung bezogen auf die Mittelachse M. Der Multipolständer 24 hat etwa den gleichen Außendurchmesser wie der Anker 26, so dass der aus den Spulenanordnungen 24b hervorgerufene magnetische Fluss praktisch ohne nennenswerte Streu-Verluste in den Anker 26 eindringen kann. Damit wird ein besonders effizienter Magnetkreis realisiert, der sehr geringe Ventil-Öffnungs-/Schließ-Zeiten sowie hohe Haltekräfte erlaubt.

Der Anker 26 kann - unabhängig von der Gestaltung des Multipolständers 24 bzw. der Spulenanordnungen 24b - auch eine geschlossene Kreisscheibe aus Weicheisen sein, sofern die Ausgestaltung des Magnetjoches bzw. der Magnet-Spulenanordnung sicherstellt, dass die Streuverluste bzw. Wirbelstromverluste gering genug für den jeweiligen Einsatzzweck sind. Zur Verringerung des Gewichtes bei optimierter magnetischer Flussdichte ist der Anker als Multipolanker ausgebildet, dessen Ankerpole auf die jeweiligen Ständerpole hin ausgerichtet sind. Dazu sind die Ankerpole durch Schwächungen bzw. Verdickungen der ansonsten im Wesentlichen der Kontur der Stirnfläche der Gesamtheit aller Polstege folgenden Ankerplatte gebildet.

Beim Bestromen der Erregerspulen 24b wird in den Ständerpolen 24a ein wirbel- stromarmes Magnetfeld induziert, das den Anker 26 mit der Ventilnadel 34 in Richtung des Ständer 24 zieht. Damit bewegt sich das Ventilglied 46 mit dem Ventilkörper 47 von dem Ventilsitz 48 weg in seine Offen-Stellung und von dem Fluid-Einlass 12 kommendes Fluid kann in gesteuerter Weise zum Beispiel in den Brennraum einer fremdgezündeten oder einer selbstzündenden Brennkraftmaschine strömen. In dem Fluid-Einspritzventil 10 ist eine Federanordnung 30 so angeordnet, dass sie eine zum in der Kammer 14 herrschenden Fluiddruck sich gleichsinnig ändernde (Zug-)Federkraft auf das Ventilglied 46 ausübt. Die Federanordnung 30 ist dabei so angeordnet und ausgestaltet, dass sie ein durch den Linearaktor initiiertes Abheben des Ventilglieds 46 mit dem Ventilkörper vom Ventilsitz 48 unterstützt. Dies verringert die von dem Linearaktor aufzubringende Kraft zum Öffnen des Fluid- Einspritzventils.

In Fig. Ia hat die erste Federanordnung 30 einen spannungslosen Ruhezustand. Eine zweite Federanordnung 58 dient dazu, eine Vorspannung im Sinne eines Schließens auf das Ventilglied 46 aufzubringen. Diese zweite Federanordnung 58 ist eine auf das Ventilglied 46 wirkende Schraubenfeder, die hier als Schubfeder ausgestaltet ist. Dabei ist die Ankerscheibe 26 mit der Ventilnadel 34 durch die zur Mittelachse M koaxial angeordnete Federanordnung 58 belastet, so dass das Ventilglied 46 mit seinem Ventilkörper 47 in dem Ventilsitz 48 fluiddicht sitzt, also in seine Geschlossenstellung gedrängt ist.

Die erste Federanordnung 30 ist im Wesentlichen eine Art Tellerfeder-Anordnung (siehe hierzu auch Fig. 2), deren auf das Ventilglied 46 ausgeübte Federkraft mit dem in der Kammer 14 herrschenden Druck des Fluids variiert. Die erste Federanordnung 30 ist aus korrosionsbeständigem Federstahl hergestellt. Sie hat eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Gestalt und verkürzt sich bei steigendem Fluiddruck längs der Bewegungsrichtung des Ventilglieds 46. Dazu ist der Konus der kegelstumpfför- migen Federanordnung 30 in Richtung zu dem Ventilsitz 48 hin sich verjüngend aus- gestaltet.

Die kegelstumpfförmige erste Federanordnung 30 hat einen äußeren Bund oder Rand 30a, der hier fest mit dem Gehäuse des Fluid-Einspritzventils verbunden ist. An den inneren Rand der kegelstumpfförmigen Federanordnung 30 ist ein im Wesentlichen ebener Ringbund 30b angeformt. Von diesem reicht ein zweiter Kegelstumpf 30c mit einem Stützkragen 3Od zum Zentrum (Mittellängsachse M) hin. Der Stützkragen 3Od umgreift die Ventilnadel 34, die einen Ringbund 52 hat, an dem der Stützkragen 30d lose anliegt und die Ventilnadel 34 in ihre Offen-Stellung zieht, wenn sich der Druck in der Kammer 14 erhöht.

Der zweite Kegelstumpf 30c ist längs der Richtung der Mittellängsachse kürzer als die erste kegelstumpfförmige Federanordnung 30 und ist zu dieser entgegengesetzt orientiert. Diese gesamte Anordnung unterstützt den Linearaktor dabei, das Ventilglied 46 mit seinem Ventilkörper 47 von seinem Ventilsitz 48 zu ziehen, wenn sich der Fluiddruck in der Kammer 14 des Fluid-Einspritzventils 10 erhöht hat (von pθ in Rg. Ia auf p+ in Fig. Ib).

Nach dem Abheben des Ventilgliedes 46 von dem Ventilsitz 48 verringert sich die auf das Ventilglied 46 wirkende hydraulische Schließkraft sehr stark, in etwa linear mit dem Hub des Ventilgliedes 46. In einem etwa gleichen Maß muss bei Öffnen des Ventils die Vorspannkraft des zweiten Kegelstumpfs 30c nachlassen, damit über die noch verbleibende hydraulische Schließkraft und die Kraft aus der Federanordnung 58 bei stromlosem Linearaktor ein schnelles Schließen des Ventils zu erreichen ist. Dazu kann die Kraft/Wegfederkennlinie des zweiten Kegelstumpfs 30c entsprechend ausgelegt sein.

Die erste kegelstumpfförmige Federanordnung hat einen Kegelwinkel kl von etwa 25° in der Ruhestellung (Fig. Ia).; Bei Anliegen des Betriebsdrucks p+ des Fluids am Einlass 12 ist das Gehäuse / die Kammer 14 in Durchmesserrichtung auf den Durchmesser Di+ geweitet (Siehe Fig. Ib). Zur Veranschaulichung ist in Fig. Ib die Ruhestellung der Federanordnung gestrichelt eingezeichnet. Der zweite Kegelstumpf 30c hat einen Kegelwinkel k2 von etwa 45° in der Ruhestellung.

Aus einer Druckerhöhung vom Ruhezustand zum Betriebszustand in der Kammer 14 resultiert auch Längung der Kammer 14 (von LO in Fig. Ia auf L+ in Fig. Ib). Da die Federanordnung 30 - 3Od an ihrem äußeren Rand 30a mit dem Gehäuse /der In- nenwand der Kammer 14 des Fluid-Einspritzventils 10 fest verbunden ist, wird bei einer Längung des Gehäuses der innere Rand 3Od der Federanordnung längs dessen Mittellängsachse von dem Ventilsitz wegbewegt. Dabei wird die Ventilnadel 34 mitgenommen, so dass auch durch diesen Längungs-Effekt auf das Ventilglied 46 eine von dem Ventilsitz weggerichtete Kraft wirkt, die das Abheben des Ventilgliedes 46 von dem Ventilsitz unterstützt.

In die Kegelflächen 30 und 30c können zur Modellierung des Federverhaltens entlang des Umfangs eine oder mehrere (kreis-)runde, ovale, oder langgezogene oder mehreckige Ausnehmungen 3Oe, 3Of eingearbeitet sein (von denen in Fig. 2 jeweils nur eine veranschaulicht ist). Um den vorstehend angesprochenen Längungseffekt des Gehäuses über das Ventilglied 46 auszugleichen, ist das Ventilglied 46 in seinem unteren Bereich, das heißt an der Ventilnadel 34 (vorstehend auch Ventilschaft genannt) mit einem bauchigen Längungsbereich 60 versehen, der im Inneren, wie im Folgenden noch im Detail erläutert werden wird, hohl ausgebildet ist. Wie man in Fig. Ia und Ib durch Pfeile erkennt, wirkt der in der Kammer 14 herrschende Druck P auf die Außenfläche des Längungsbereichs 60 und drückt diesen druckabhängig zusammen, so dass sich die Ventilnadel 34 im Längungsbereich 60 gemäß dem Pfeil 62 längt. Der Längungsbereich 60 ist auf den jeweiligen im Einsatzfall des Einspritzventils auftretenden Druck- bereich innerhalb der Kammer 14 abgestimmt. Seine Geometrie sowie die

Wandstärke des Längungsbereichs 60 sind derart gewählt, dass sich die Länge der Ventilnadel 34 in Abhängigkeit von dem in der Kammer 14 herrschenden Druck im Wesentlichen genauso ändert, wie die Länge des Gehäuses (von LO auf L+) in diesem Druckbereich. Dadurch bleibt die geometrische Wechselbeziehung und mechani- sehe Wechselwirkung zwischen den gehäusefesten Komponenten, wie beispielsweise dem Ständer 24, und den beweglichen Komponenten, insbesondere das Ventilglied 46 mit seiner Ventilnadel 34, im Wesentlichen gleich, so dass trotz der druckbedingt auftretenden Gehäuselängung ein zuverlässiges nahezu ideales Öffnen und Schließen des Ventilsitzes 48 mit dem Ventilkörper 47 erreicht werden kann.

Fig.3 zeigt eine erste Ausführungsvariante für das erfindungsgemäße Ventilglied 46 mit einem im Schnitt gezeigten Längungsbereich 60. Der Längungsbereich 60 weist einen Hohlraum 64 auf, der gegenüber der Umgebung - auch bei hohen Drücken - fluiddicht abgeschlossen ist. An den Längungsbereich 60 schließt sich der Rest der Ventilnadel 34 an. Im unteren Bereich erkennt man den kegelförmigen Konusabschnitt 66 des Ventilkörpers 47, der mit dem in Fig.3 nicht gezeigten Ventilsitz 48 dichtend in Wechselwirkung tritt. In Fig.3 erkennt man insbesondere, dass die Nadel 34 im Längungsbereich 60 zur Herstellung des Hohlraums 64 zweigeteilt und über eine Schweißnaht 68 verbunden ist. Die Außenkontur des Längungsbereichs 60 ist der in Fig.3 gezeigten Ausführungsform stetig, das heißt sie weist einen harmonischen im Wesentlichen knickfreien Verlauf auf. Dies gilt auch für den Bereich an und um die Schweißnaht 68. Die Ausführungsform gemäß Fig.3 besitzt eine relativ starke Bauchung mit einem Außendurchmesser dl.

In Fig.4 erkennt man eine zweite Ausführungsform für die Ventilnadel, bei der glei^¬ che oder gleichwirkende Komponenten wie bei Fig.3 dieselben Bezugszeichen tragen, jedoch mit dem Kleinbuchstaben "a" nachgestellt. Der einzige Unterschied zwischen den Ausfϋhrungsformen gemäß Fig.3 und 4 besteht darin, dass der Längungsbereich 60 bei der Ausführungsform gemäß Fig.4 weniger bauchig ausgeführt ist und dementsprechend einen kleineren Außendurch- messer d2 aufweist. Dadurch fällt das Längungsvermögen des Ventilglieds 46a gegenüber dem des Ventilglieds 46 aus Fig.3 geringer aus.

Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig.5 sind wiederum gleiche oder gleichwirkende Komponenten wie bei den Ausführungsformen gemäß Fig.3 und 4 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, jedoch mit dem Kleinbuchstaben "b" nachgestellt.

Die Ausführungsform gemäß Fig.5 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig.4 lediglich darin, dass die Schweißnaht 68b nicht im Bereich der maximalen Ausbauchung des Längungsbereichs 60b angeordnet ist, sondern nahe dem Teller 26b am oberen Ende des Längungsbereichs 60b. Alternativ hierzu wäre es auch möglich, die Verbindungsstelle über die Schweißnaht am unteren Ende des Längungsbereichs 60b auszubilden. Entscheidend ist lediglich, durch geschickte Wahl der Lage der Schweißnaht eine möglichst einfache Herstellung des Hohlraums 64b zu ermöglichen.

Fig.6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilglieds 46c, wobei wiederum dieselben Bezugszeichen für gleichartige oder gleichwirkende Komponenten verwendet werden, wie vorangehend, jedoch mit dem Kleinbuchstaben "c" nachgestellt.

Die Ausführungsform gemäß Fig.6 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig.4 im Wesentlichen in der Geometrie des Längungsbereichs 60c. Diese ist nicht harmonisch mit stetigen Profilverlauf ausgebildet, sondern vielmehr sechseck- förmig mit Knickstellen, die unter Druckeinwirkung als „Solldeformationsbereiche" (Gelenke) wirken. Der Hohlraum 64c ist entsprechend im Längsschnitt sechseckför- mig ausgebildet. Die Schweißnaht 68c ist wiederum im Bereich der maximalen Ausbauchung angeordnet.

Fig.7 zeigt eine weitere Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Ventilglied 46d, wobei wiederum dieselben Bezugszeichen für gleichartige oder gleichwirkende Komponenten verwendet werden, wie vorangehend, jedoch mit dem Kleinbuchstaben "d" nachgestellt. Dieses weist eine weitgehend hohl ausgebildete Ventilnadel 34d auf mit einem entsprechend lang ausgebildeten Hohlraum 64d. Die Ventilnadel 34d weist zwei Ausbauchungen 72d und 74d auf, die etwa denselben Außendurchmesser d4 besitzen. Durch die Ausbildung der Ventilnadel 34d mit zwei Ausbauchungen 72d und 74d lässt sich das druckabhängige Längungsvermögen des Ventilglieds 46d weiter steigern.

Je nach Bedarf kann bei den Ausführungsformen der Erfindung die Wandstärke w zur Beeinflussung des Längungsvermögens variiert werden. So lässt eine kleinere Wand- stärke stärkere Deformationen und damit eine stärkere Längung zu. Wichtig ist jedoch, die Wandstärke in Abstimmung auf die auftretenden Betriebsdrücke so zu wählen, dass es nicht zu einem Kollabieren des Hohlraums 64d kommen kann. In Fig.7 erkennt man auch, dass die Ventilnadel 34d mit ihrem oberen Ende an den Teller 46d über die Schweißnaht 68d angebracht ist.

In Hg.8 ist eine weitere Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Ventilglied 46e dargestellt, wobei wiederum gleichartige oder gleich wirkende Komponenten mit den selben Bezugszeichen bezeichnet werden, wie vorangehend, jedoch mit dem Kleinbuchstaben "e" nachgestellt.

In Fig.8 ist die Ventilnadel 34 als massives Bauteil ausgeführt, das heißt ohne bauchigen Bereich. Statt dessen ist eine Streckhülse 46e auf diese aufgebracht und an Schweißnähten 68e und 78e fluiddicht mit der Ventilnadel 34e verschweißt. Die Streckhülse 76e ist wiederum bauchig ausgeführt und schließt so fluiddicht einen ringförmigen Hohlraum 64e mit der Ventilnadel 34e ein. Der Außendurchmesser der Streckhülse 76e ist mit d4 bezeichnet. Im Bereich 8Oe ist die Ventilnadel 34e mit einer Verjüngung versehen.

Wirkt auf die Streckhülse 76e ein hoher Außendruck, so wird, ähnlich wie bei den vorangehenden Ausführungsformen, diese unter Verkleinerung des Hohlraums 64e komprimiert, wodurch die Ventilnadel 34e im Längungsbereich 6Oe gestreckt wird. Die Verjüngung im Bereich 8Oe lässt eine entsprechende Längung leichter zu. Diese Lösung bietet den Vorteil, dass die Ventilnadel selbst nicht hohl ausgebildet sein muss, sondern der für eine Längungs-effekt erforderliche Hohlraum 64e mit Hilfe einer fluiddichten Verschweißung über die Streckhülse 76e errecht werden kann. Zusammenfassend zeigen die vorstehenden Ausführungsformen gemäß Rg.3 bis 8 verschiedene Lösungen für längenvariable Ventilglieder, die zur Kompensation einer druckbedingten Ventilgehäuselängung je nach Bedarf einsetzbar sind.

Es versteht sich, dass vorstehende Ausführungsformen auch weiter abgewandelt werden können, insbesondere hinsichtlich der Geometrie des Längungsbereichs, der Anzahl der bauchigen Bereiche. Ferner versteht sich, dass die vorstehend im Hinblick auf die Ausführungsbeispiele gemäß Fig.3 bis 7 gezeigten Variationsmöglichkeiten zur geometrischen Gestaltung der bauchigen Bereiche ebenso im Hinblick auf die Gestal- tung der Streckhülse 76e anwendbar sind. Auch kann die Reduzierung des Durchmessers der Ventilnadel 34e im Bereich der Streckhülse stärker ausgebildet sein, als in Fig.8 gezeigt.

Die in der obigen Beschreibung der Erfindung erläuterten Varianten und deren ein- zelne Aspekte sind selbstverständlich untereinander kombinierbar, auch wenn derartige Kombinationen nicht im Einzelnen vorstehend explizit erläutert sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Fluid-Einspritzventil (10) mit - einem Einlass (12), der dazu eingerichtet ist, Fluid aus einer Zufuhr-Leitung aufzunehmen, und mit einer Kammer (14) verbunden ist,

- einem Fluid-Auslass (52), der mit der Kammer (14) verbunden ist und der dazu eingerichtet ist, Fluid aus dem Fluid-Einspritzventil (10) abzugeben, und

- einer Ventilanordnung (46, 48) mit einem Ventilsitz (48) und einem sich entlang einer Längsachse erstreckenden Ventilglied (46), wobei das Ventilglied (46) dazu eingerichtet ist, relativ zu dem Ventilsitz (48) Öffnungs- und Schließbewegungen auszuführen,

- einem Linearaktor, der dazu eingerichtet ist, das Ventilglied (46) relativ zu dem Ventilsitz (48) zu bewegen, und mit

- einer ersten Federanordnung (30), die auf das Ventilglied (46) eine Federkraft aus- Übt, wobei das Ventilglied (46) derart längenvariabel ausgebildet ist, dass seine Länge in Abhängigkeit von einem in der Kammer (14) herrschenden Fluiddruck veränderbar ist.

2. Fluid-Einspritzventil (10) nach Anspruch 1, wobei das Ventilglied (46) mit einem scheibenförmigen Ankerabschnitt (26) und mit einem von diesem ausgehenden Ventilschaftabschnitt (34) ausgebildet ist, wobei der Ventilschaftabschnitt (34) mit wenigstens einem Längungsbereich (60) versehen ist.

3. Fluid-Einspritzventil (10) nach Anspruch 2, wobei der Ventilschaftabschnitt (34) zumindest im Längungsbereich (60) mit einem gegenüber der Kammer (14) abgedichteten Hohlraum (64) ausgebildet ist.

4. Fluid-Einspritzventil (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Längungsbereich (60) bauchig ausgebildet ist.

5. Fluid-Einspritzventil (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Längungsbereich (60) an seiner Außenkontur stetig ausgebildet ist.

6. Fluid-Einspritzventil (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Längungsbereich (60c) an seiner Außenkontur mit wenigstens einer Knickstelle ausgebildet ist.

7. Fluid-Einspritzventil (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Längungsbereich (6Od) in einem achsenthaltenden Schnitt betrachtet eine Mehrzahl von bauchigen Hohlräumen (64d) aufweist.

8. Fluid-Einspritzventil (10) nach einem der Ansprüche 2 bis I₁ wobei das Ventilglied (64) an oder nahe seines Längungsbereichs (60) eine Verbindungsstelle (68), insbesondere eine Schweißnaht, aufweist.

9. Fluid-Einspritzventil (10) nach Anspruch 8, wobei die Verbindungsstelle (68) im Bereich des maximalen Durchmessers (dl) des Längungsbereichs (60) vorgesehen ist.

10. Fluid-Einspritzventil (10) nach Anspruch 8, wobei die Verbindungsstelle (68b) im Bereich den Längungsbereich (60b) endseitig begrenzt.

11. Fluid-Einspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei das Ventilglied in seinem Längungsbereich mit variabler Wandstärke ausgeführt ist.

12. Fluid-Einspritzventil (10c) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei das Ventilglied in seinem Längungsbereich mit einer bauchigen Streckhülse (76c) versehen ist, die an dem Ventilschaft (34c) dichtend angebracht ist und mit diesem einen ringförmigen Hohlraum (64c) einschließt.

13. Fluid-Einspritzventil (10c) nach Anspruch 12, wobei der Ventilschaft (34c) im Bereich der Streckhülse (76c) mit einem reduzierten Durchmesser oder mit reduzierter Wandstärke ausgebildet ist.

14. Fluid-Einspritzventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Linearaktor eine Elektromagnetanordnung aufweist.

15. Ventilglied (46) für ein Fluid-Einspritzventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ventilglied (46) derart längenvariabel ausgebildet ist, dass seine Länge in Abhängigkeit von einem in der Kammer (14) herrschenden Fluiddruck veränderbar ist.