Titel

Baugruppe

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Baugruppe nach dem Oberbegriff des

Anspruchs 1. Eine bekannte Baugruppe zur Abdichtung eines in einer Durchführung in einem

Körper geführten Kraftübertragungselements (DE 10 2009 047 009 A1 ) dient in einem Einspritzventil in Kraftstoffeinspritzanlagen für Brennkraftmaschinen zum Abdichten von nicht kraftstoffresistenten Bauteilen des Ventils, wie dem piezoelektrischen Aktor zur Ventilsteuerung, gegenüber dem in einem Ventilraum des Ventils unter Systemdruck stehenden Kraftstoff. Der Ventilraum ist von einem Ventilgehäuse und einem am Ventilgehäuse dicht festgelegten

Ventilkörper begrenzt. Der Ventilkörper weist eine Durchführung für eine

Ventilnadel auf, die sich von einer dem Ventilraum vorgelagerten Ventilöffnung bis zum Aktor erstreckt. Im Bereich der Durchführung trägt die Ventilnadel einen auf ihr festsetzenden Gleitring, der mit dem Ventilkörper einen engen Radialspalt innerhalb der Durchführung begrenzt. Um einen Durchtritt des Kraftstoffs durch diesen Radialspalt zu unterbinden, ist die den Ventilraum begrenzende Stirnseite des Ventilkörpers von einer ringförmigen Membran überdeckt, die mit ihrem inneren Rand am Gleitring und mit ihrem äußeren Rand am Ventilkörper festgelegt ist. Der von der Membran am Ventilkörper überdeckte Bereich ist mit einem Medium gefüllt. Das Medium besitzt eine Fließgrenze, die abhängig von dem im Ventilraum herrschenden Kraftstoffdruck gewählt ist, beispielsweise eine weiche Masse mit hoher Fließgrenze, wie Bingham-Flüssigkeit, dickflüssiges Silikonöl oder Transformatorenöl. Zur Füllung des Überdeckungsbereichs der Membran mit dem Medium ist im Ventilkörper eine Kammer vorhanden, die den

Ventilkörper in einen vorderen und einen hinteren Körperteil unterteilt. Im vorderen Körperteil ist eine Verbindung zu dem Überdeckungsbereich hergestellt und in dem hinteren Körperteil ist mittels des Gleitrings die Gleitführung der Ventilnadel im Ventilkörper realisiert. Die Füllung der Kammer mit dem Medium erfolgt über ein in die Ventilnadel eingebrachtes Füllloch, das in der Kammer mündet. Nach Einfüllen des Mediums wird das Füllloch durch Einpressen einer

Kugel verschlossen.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass mittels des in einem der Bauteile vorhandenen Füllventils einerseits die konstruktive Ausgestaltung der Baugruppe zur Füllung mit Medium deutlich vereinfacht wird und andererseits das eingefüllte Mediumvolumen auch bei auf die Baugruppe wirkenden, hohen und schwellenden Drücken zuverlässig abgedichtet ist. Insbesondere bei Ausführung des Füllventils als Rückschlagventil führt die Zunahme des Drucks im Mediumvolumen zu einem zusätzlichen Druck auf das Ventilglied des Rückschlagventils und verstärkt die Schließkraft des Ventils. Anders als bei der bekannten Abdichtung des eingeschlossenen

Mediumvolumens mittels einer in das eine Bauteil eingepressten Kugel, muss für das Bauteil zwecks Einpressen der Kugel nicht ein relativ weiches Material gewählt werden, vielmehr kann vorteilhaft ein recht hartes Material eingesetzt werden. Die Montage des Füllventils ist einfach und prozesssicher. Der

Füllprozess, zu dem ein Entlüften der Baugruppe erforderlich ist, lässt sich mit dem Füllventil vorteilhaft in zwei Etappen und ggf. auch in zwei verschiedenen Prozessstationen durchführen, indem zunächst die Baugruppe durch Öffnen des Füllventils entlüftet und anschließend unter erneutem Öffnen des Füllventils das Medium eingebracht wird.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen

Baugruppe möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Füllventil in einem Füllkanal angeordnet, der in dem einen Bauelement verläuft und außen an der Baugruppe zugänglich ist. Damit bleibt das integrierte Füllventil für den

Entlüftungs- und Füllprozess gut zugänglich, und durch entsprechende Gestaltung des Füllkanals lassen sich zugleich Komponenten des Füllventils, wie Ventilsitz und Ventilkammer mit Zu- und Ablauf, realisieren.

Hierzu ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der Füllkanal als Stufenbohrung mit einem ersten Bohrungsabschnitt und einem

demgegenüber durchmessergrößeren zweiten Bohrungsabschnitt und am Übergang der Bohrungsabschnitte ein Ventilsitz für ein Ventilglied ausgebildet. Vorzugsweise ist das Ventilglied eine mit PTFE beschichtete Stahlkugel, und der Ventilsitz weist zur optimalen Kugelabdichtung einen gegen die Bohrungsachse gemessenen Schrägungswinkel α zwischen 5° und 60° auf.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die

Stufenbohrung einen an den zweiten Bohrungsabschnitt sich anschließenden dritten Bohrungsabschnitt auf, der mit einem gegenüber dem Durchmesser des zweiten Bohrungsabschnitts vergrößerten Durchmesser exzentrisch zur

Bohrungsachse angeordnet ist. In den dritten Bohrungsabschnitt ist ein das Ventilglied respektive die Kugel in Richtung Ventilsitz belastender Federarm festgelegt. Der Federarm realisiert eine bauraumkleine, flachbauende Rückstelloder Ventilschließfeder des Füllventils mit ausreichender Schließkraft, wobei vorteilhaft auf die Baugruppe wirkende Drücke von dem Mediumvolumen auf den

Federarm und das Ventilglied übertragen werden und die Schließkraft des Ventils erhöhen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Federarm als Teil eines schalenförmigen Federelements mit Schalenboden und Schalenrand aus dem Schalenboden freigestanzt und das Federelement in den dritten

Bohrungsabschnitt eingesetzt und durch Einpressen oder Einschweißen des Schalenrands festgelegt. Ein solches Federelement lässt sich kostengünstig als einfaches Stanz-Biegeteil aus hochfestem Edelstahl fertigen. Durch Festlegen einer bestimmten Einpresstiefe des Federelements in den dritten

Bohrungsabschnitt lässt sich die Schließkraft des Ventils einstellen.

Die erfindungsgemäße Baugruppe wird vorteilhaft in Ventilen zum Zumessen von Fluid, insbesondere zum dosierten Einspritzen von Kraftstoff in

Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, eingesetzt und hier zur

Generierung einer Dichtungsbaugruppe zum Abdichten einer Ventilkammer gegen Fluidaustritt oder eines hydraulischen Kopplers zum Ausgleich unterschiedlicher thermischer Dehnungen von Ventilgehäuse und einem im Ventilgehäuse axial abgestützten Kraftübertragungselement, wie einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor und eine Ventilnadel, herangezogen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten

Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Ventil zum Zumessen von Fluid, teilweise geschnitten, Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Längsschnitts des in Figur 1 in

Seitenansicht dargestellten unteren Teils des Ventils,

Figur 3 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts III in Figur 2, Figur 4 eine Unteransicht eines Federelements im Ventil in Richtung Pfeil IV in

Figur 3,

Figur 5 einen Längsschnitt eines hydraulischen Kopplers im Ventil gemäß Figur 1 ,

Figur 6 eine gleiche Darstellung wie in Figur 5 eines modifizierten hydraulischen Kopplers.

Die hier vorgestellte, neuartige Baugruppe wird nachfolgend in Verbindung mit ihrem Einbau in ein Ventil zum Zumessen eines Fluids, z.B. in ein Einspritzventil für Kraftstoff in Kraftstoffeinspritzanlage von Brennkraftmaschinen, beschrieben. In einem solchen in Figur 1 dargestellten Ventil kann vorteilhaft die Baugruppe zur Abdichtung einer Ventilkammer im Ventilgehäuse, wie dies in Figur 2 und 3 dargestellt ist, und/oder als ein im Ventilgehäuse angeordneter hydraulischer Koppler, wie dies in Figur 4 und 5 dargestellt ist, eingesetzt werden. Die Baugruppe (Figur 2 bis 6) weist ein erstes Bauelement 1 1 , ein vom ersten Bauelement 1 1 umschlossenes zweites Bauelement 12, eine flexible, z.B.

kreisringförmige Membran 13, die am ersten und zweiten Bauelement 1 1 , 12 festgelegt ist und einen zwischen den Bauelementen 1 1 , 12 vorhandenen Radialspalt 14 überdeckt, und ein von den Bauelementen 1 1 , 12 und der

Membran 13 eingeschlossenes Volumen 15 eines Mediums auf. Das Medium ist eine Flüssigkeit oder eine weiche oder knetbare Substanz, kann in speziellen Anwendungsfällen aber auch ein Gas sein. Zum Einbringen des Mediums ist in einem der Bauelemente 1 1 , 12 ein Füllventil 16 angeordnet, das in Richtung des eingeschlossenen Volumens 15 öffnet. Das Füllventill 6 ist als Rückschlagventil mit Federrückstellung ausgebildet und in einem im ersten Bauelement 1 1 oder im zweiten Bauelement 12 verlaufenden Füllkanal 17 angeordnet. Wie in der Schnittdarstellung des vergrößerten Ausschnitts gemäß Figur 3 zu sehen ist, ist der Füllkanal 17 als Stufenbohrung 18 mit einem ersten Bohrungsabschnitt 181 und einem demgegenüber durchmessergrößeren zweiten Bohrungsabschnitt 182 sowie mit einem an den zweiten Bohrungsabschnitt 182 sich anschließenden dritten Bohrungsabschnitt 183 ausgebildet. Am Übergang vom ersten zum zweiten Bohrungsabschnitt 181 , 182 ist ein Ventilsitz 19 für ein federbelastetes Ventilglied 20 ausgebildet. Der dritte Bohrungsabschnitt 183 weist einen gegenüber dem Durchmesser des zweiten Bohrungsabschnitts 182 größeren

Durchmesser auf und ist exzentrisch zur Bohrungsachse angeordnet. Im dritten Bohrungsabschnitt 183 ist ein das Ventilglied 20 in Ventilschließrichtung, d.h. in Richtung Ventilsitz 19, belastender Federarm 21 festgelegt. Das Ventilglied 20 ist vorzugsweise eine mit PTFE beschichtete Stahlkugel, und der Ventilsitz 19 weist zur optimalen Kugelabdichtung einen Schrägungswinkel α gegen die

Bohrungsachse zwischen 5° und 60° auf. Der auf dem Ventilglied 20

kraftschlüssig aufliegende Federarm 21 ist Teil eines schalenförmigen

Federelements 22 mit Schalenboden 221 und Schalenrand 222 (Figur 3 und 4) und ist aus dem Schalenboden 221 freigestanzt. Zur Einstellung der auf das Ventilglied 20 wirkenden Federkraft des Federarms 21 ist das Federelement 22 mit einer Höhe H (Figur 3) in den dritten Bohrungsabschnitt 183 eingesetzt und festgelegt, was z.B. durch Einpressen oder Einschweißen des Schalenrands 222 erfolgt. Das Federelement 22 ist ein Stanz-Biegeteil aus hochfestem Federstahl. Durch die Exzentrizität des dritten Bohrungsabschnitts 183 wird eine möglichst große Biegelänge b (Figur 4) des Federarms 21 erzielt. Zum Einbringen des Mediums nach Zusammenbau der Baugruppe wird zunächst die Baugruppe entlüftet, d. h. das für das Medium vorgehaltene Volumen 15 zwischen den Bauelementen 1 1 und 12 und der Membran 13 evakuiert, wozu das Füllventil 16 geöffnet wird. Hierzu wird durch den ersten Bohrungsabschnitt 181 der Stufenbohrung 18 hindurch eine axiale Verschiebekraft auf das

Ventilglied 20 aufgebracht, die das Ventilglied 20 gegen die Rückstellkraft des Federarms 21 vom Ventilsitz 19 abhebt. Nach Entlüften der Baugruppe schließt das Füllventil 16 durch Wegfall der Verschiebekraft am Ventilglied 20.

Anschließend wird über ein bis zum ersten Bohrungsabschnitt 181 eingeführtes Füllrohr das Medium mit einem Druck, der die Federkraft des Federarms 21 übersteigt, sicher in die Baugruppe eingebracht, so dass das vorgegebene Volumen 15 vollständig mit dem Medium gefüllt ist. Die auf das Ventilglied 20 wirkende Schließkraft wird nunmehr um den im eingeschlossenen Volumen 15 herrschenden Druck vergrößert.

Das Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere von Kraftstoff, in dem die beschriebene Baugruppe vorzugsweise zum Einsatz kommt, ist in Figur 1 teilweise geschnitten dargestellt. Das Ventil weist in bekannter Weise ein

Ventilgehäuse 30 auf, in dessen einen Gehäuseende ein Ventilsitzträger 31 fest eingesetzt ist. Am dem vom Ventilgehäuse 30 abgekehrten freien Ende des Ventilsitzträgers 31 ist eine Zumessöffnung 32 angeordnet (Figur 2), die von einem an einer Ventilnadel 33 ausgeformten Schließkopf 331 in Verbindung mit einem am Ventilsitzträger 31 ausgebildeten Ventilsitz 31 1 steuerbar ist. Die Ventilnadel 33 wird von einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor 34 gegen die Rückstellkraft einer Ventilschließfeder 35 betätigt, wobei der Aktor 34 mit einem hydraulischen Koppler 36 verbunden ist, der im Ventilgehäuse 30 kardanisch gelagert ist. Hierzu ist das andere Ende des Ventilgehäuses 30 mit einem Anschlussstück 37 abgeschlossen, in dem eine mit einem

Anschlussstutzen 38 zum Zuführen von Fluid verbundene Zulaufbohrung 39 ausgebildet ist. Aktor 35 und hydraulischer Koppler 36 sind in einem am

Anschlussstück 37 befestigten Gehäuserohr 40 angeordnet, und zwischen Ventilgehäuse 30 und Gehäuserohr 40 besteht ein Ringspalt 49, der die

Zulaufbohrung 39 im Anschlussstück 37 mit einer der Zumessöffnung 32 im Ventilsitzträger 31 vorgelagerte Ventilkammer 41 verbindet. Wie in Figur 2 und 3 dargestellt ist, dient die vorstehend beschriebene

Baugruppe zum Abdichten der Ventilkammer 41 und damit des den nicht fluid- bzw. kraftstoffresistenten Aktor 34 enthaltenden Gehäuserohrs 40 gegenüber dem in der Ventilkammer 41 befindlichen Fluid. Dabei bildet das erste

Bauelement 1 1 einen die Ventilkammer 41 begrenzenden Ventilkörper 42, der einerseits mit dem Ende des Gehäuserohrs 40 und andererseits mit dem

Ventilsitzträger 31 jeweils fest und fluiddicht verbunden ist (Schweißnähte 45 und 46 in Figur 2 und 3). Das zweite Bauteil 12 bildet die Ventilnadel 33, die durch den Ventilkörper 42 unter Belassung des Radialspalts 14 hindurchgeführt ist. Die ringförmige, flexible Membran 13 ist mit ihren inneren Rand an der Ventilnadel 33 und mit ihrem äußeren Rand am Ventilkörper 42 jeweils fluiddicht befestigt, was durch die Schweißnähte 43 und 44 in Figur 2 und 3 symbolisiert ist. Aus fertigungstechnischen Gründen trägt die Ventilnadel 33 einen festen Gleitring 47 zur Führung im Ventilkörper 42, so dass der Radialspalt 14 zwischen dem einen Teil der Ventilnadel 33 darstellenden Gleitring 47 und dem Ventilkörper 42 vorhanden und der innere Rand der Membran 13 am Gleitring 47 befestigt ist. Der das Füllventil 16 enthaltende Füllkanal 17 ist im Ventilkörper 42 angeordnet und das eingeschlossene Volumen 15 des Mediums ist in einem von der

Membran 13 am Ventilkörper 42 überdeckten Überdeckungsbereich 56 konzentriert. Das Medium im eingeschlossenen Volumen 15 ist eine weiche

Substanz mit hoher Fließgrenze, z.B. eine Bingham-Flüssigkeit, ein dickflüssiges Silikonöl, weiches oder knetbares Material, z.B. ein Elastomer, oder

Transformatorenöl. Wie in Figur 5 und 6 dargestellt ist, ist die beschriebene Baugruppe im Ventil gemäß Figur 1 auch zur Realisierung des hydraulischen Kopplers 36 eingesetzt. Hierzu bildet das erste Bauelement 1 1 ein topfförmiges Kopplergehäuse 50 mit Topfboden 501 und Topfmantel 502, das in einer Ausnehmung 51 im

Anschlussstück 37 kardanisch gelagert ist. Das zweite Bauelement 12 bildet ein von einem Kraftübertragungselement, hier dem Aktor 34, beaufschlagbares, axial verschiebbares Kopplerglied 52, das einen im Kopplergehäuse 50 gleitgeführten Kolben 53 und einen fest mit dem Kolben 53 verbunden Koppelbolzen 54 zum Anbinden des Kraftübertragungselements, hier des Aktors 34, aufweist. Der Kolben 53 begrenzt mit dem Topfmantel 502 des Kopplergehäuses 50 den Radialspalt 14 und mit dem Topfboden 501 einen Kopplerspalt 55. Das Füllventil

16 ist im Kopplerglied 52 angeordnet, und das eingeschlossene Volumen 15 des Mediums ist über den Radialspalt 14 auf den Überdeckungsbereich 56 der an Kopplergehäuse 50 und Kopplerglied 52 festgelegten Membran 13 und auf den Kopplerspalt 55 verteilt. Als Medium ist eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Hydrauliköl, eingesetzt.

Wie Figur 5 zeigt, ist die kopplergliedseitige Festlegung der Membran 13 am Koppelbolzen 54 vorgenommen. Der Koppelbolzen 54 ist in einer im Kolben 53 vorhandenen Ausnehmung 57 befestigt und begrenzt mit dem Grund der Ausnehmung 57 eine Hohlraum 58, der mit dem Überdeckungsbereich 56 in Verbindung steht. Der Füllkanal 17 mit dem darin integrierten Füllventil 16 verläuft im Koppelbolzen 54 und mündet in den Hohlraum 58, so dass sich das in Kopplergehäuse 50, Kolben 53 und Membran 13 eingeschlossene Volumen 15 des Mediums bis in den Hohlraum 58 erstreckt. Der Koppelbolzen 54 ist an seinem aus dem Kolben 53 vorstehenden Ende mit einer Einsenkung 59 und der Aktor 34 mit einer Kraftübertragungsplatte 60 versehen, an der ein in die

Einsenkung 59 im Koppelbolzen 54 eintauchender Zapfen 61 angeformt ist. Der Zapfen 61 ist in der Einsenkung 59 festgelegt, z.B. durch Einpressen. Der Aktor 34 ist über einen an das Ventilgehäuse 30 angeformten elektrischen

Anschlussstecker 48 bestrombar.

Die Baueinheit aus Aktor 34 und hydraulischem Koppler 36 ist unter Wirkung der Ventilschließfeder 35 kraftschlüssig zwischen Ventilnadel 33 und Anschlussstück 37 eingespannt. Bewirkt eine Temperaturänderung eine unterschiedliche Ausdehnung von Aktor 34 und Ventilgehäuse 30, so vergrößert sich der Druck des Kolbens 53 auf den Kopplerspalt 55. Der erhöhte Druck im Kopplerspalt 55 bewirkt eine Verdrängung von Medium aus dem Kopplerspalt 55, das über den Radialspalt 14 in den Überdeckungsbereich 56 der Membran 13 verschoben wird. Verringert sich infolge Temperaturänderung der Kolbendruck auf den Kopplerspalt 55 wieder, so erzeugt die Membran 13 eine ausreichend hohen Druckkraft, um Medium aus dem Überdeckungsbereich 56 über den Radialspalt 14 wieder in den Kopplerspalt 55 bei gleichzeitigem Verschieben des Kolbens 53 zurückzudrücken.

Der in Figur 6 im Längsschnitt dargestellte hydraulische Koppler 36 ist gegenüber dem zu Figur 5 beschriebenen hydraulischen Koppler 36 insoweit modifiziert, als zusätzlich zur Membran 13 auf der von dem Kopplerspalt 55 abgekehrten Außenseite des Kopplergehäuses 50 eine zweite Membran 62 angeordnet ist, die den Topfboden 501 des Kopplergehäuses 50 überspannt und auf dem Topfmantel 502 des Kopplergehäuses 50 mediumdicht, also

flüssigkeitsdicht, festgelegt ist. Zwischen der zweiten Membran 62 und dem Kopplergehäuse 50 verbleibt ein Ausgleichsraum 63, der über mindestens eine Bohrung 64 im Topfmantel 502 und über den Radialspalt 13 mit dem

Kopplerspalt 55 in Verbindung steht. Alternativ kann der Ausgleichsraum 63 auch über eine im Topfboden 501 vorgesehene Axialbohrung direkt mit dem

Kopplerspalt 55 verbunden sein. Über die zum Überdeckungsbereich 56 der Membran 13 bestehende Verbindung zum Hohlraum 58 am Grund der

Ausnehmung 57 im Kolben 53 ist auch der Ausgleichsraum 63 mit dem Medium gefüllt. Der Ausgleichsraum 63 vergrößert das insgesamt eingeschlossene Volumen 15 des Mediums, so dass größere thermische

Ausdehnungsunterschiede von Ventilgehäuse 30 und Baueinheit aus Aktor 34 und Ventilnadel 33 (Figur 1 ) kompensiert werden können. Im Übrigen stimmt der hydraulische Koppler 36 gemäß Figur 6 mit dem in Figur 5 überein, so dass gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.