Titel

Einspritzventil

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An- spruchs 1. Ein solches Einspritzventil ist beispielsweise zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine oder zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs einsetzbar. Bekannte Einspritzventile für derartige technische Anwendungen nutzen größtenteils die Umwandlung von hydraulischer Druckenergie in kinetische Energie. Dazu wird das einzuspritzende Medium zunächst unter Zuhilfenahme einer Pumpe verdichtet und über mehrere Einspritzöffnungen oder einen freigegebenen Querschnitt in das vorgesehene Volumen eingespritzt. Das Medium wird dabei als Spray eingebracht.

Stand der Technik

Aus der Literatur sind alternative Methoden zur Sprayerzeugung bekannt, die beispielsweise Stoßwellen/Druckwellen im einzuspritzenden Medium zur Aktivierung des Injektors nutzen. Eine derartige Methode wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2008 042 850 A1 beschrieben. Die hierzu eingesetzte Einspritzvorrichtung um- fasst eine Ventilanordnung mit einem nach außen öffnenden Ventilglied, das über elastische Arme gehäuseseitig derart abgestützt ist, dass es gegen den Ventilsitz gedrückt wird. Die Arme dienen somit zugleich als Schließfeder. Das Ventilglied ist zudem von dem einzuspritzenden Medium umströmt. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung eine Aktuatorvorrichtung mit einem Aktor, einem Kolben und einem Rückstellelement, wobei eine Impulsübertragungsvorrichtung in Form einer Membran die Ventilanordnung von der Aktuatorvorrichtung fluiddicht trennt. Bei Betätigung des Aktors, vorzugsweise einem Elektromagneten, wird der Kolben in Richtung der Impulsübertragungsvorrichtung beschleunigt, wobei er das ihn umgebende Medium verdichtet und als Impuls auf die Impulsübertragungsvorrichtung bzw. die Membran abgibt. Diese überträgt den Impuls auf das einzuspritzende Medium, was zur Ausbildung einer Stoßwelle oder Druckwelle führt, die sich in Richtung des Ventilsitzes ausbreitet und schließlich das Öffnen der Ventilvorrichtung zur Folge hat. Die elastischen Arme, mittels welcher die nach außen öffnende Ventilnadel gehäuseseitig abgestützt ist, weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie zumindest Teile der Stoßwelle stören bzw. reflektieren und damit den Wirkungsgrad der Einspritzvorrichtung verringern können. Eine lokale Reflexion kann auch dazu führen, dass sich die Stoßwelle nicht mehr gleichmäßig über den Umfang ausbreitet und demzufolge der eingespritzte Hohlkegel nicht mehr gleichförmig ist. Ferner ist die Auslegung der Arme als Schließfeder im Hinblick auf die erforderliche Federkraft problematisch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein stoßwellen- bzw. druckwellenbasiertes Einspritzventil mit einem nach außen öffnenden Ventilschließelement derart weiterzubilden, dass sich eine im Medium erzeugte Stoßwelle bzw. Druckwelle möglichst ungehindert, d. h. ohne Reflexionen, und gleichmäßig über den Umfang ausbreiten kann, um einerseits einen möglichst homogenen Strahlhohlkegel und andererseits einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Einspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Einspritzventils sind in den Unteransprüchen angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Das vorgeschlagene Einspritzventil besitzt ein Ventilgehäuse, das einen ersten Raum zur wenigstens teilweisen Aufnahme eines von einem einzuspritzenden Medium umströmten, nach außen öffnenden Ventilschließelementes und einen zweiten Raum zur Aufnahme eines Aktors umfasst, wobei der erste Raum und der zweite Raum durch eine Membran fluiddicht voneinander getrennt sind. Erfindungsgemäß ist der Aktor ein Wirbelstromaktor, dessen Betätigung eine stoßartige Bewegung eines Kolbens in Richtung eines Ventilsitzes zur unmittelbaren oder mittelbaren Betätigung des Ventilschließelementes bewirkt, dass in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Vorzugsweise besteht der Kolben aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, um von dem Wirbelstromaktor abgestoßen zu werden. Der Bewegungsimpuls des Kolbens erzeugt im Medium eine Stoßwelle oder Druckwelle, die sich in Richtung des Ventilsitzes, welcher gleichzeitig als Einspritzöffnung dient, ausbreitet und die Einspritzung bewirkt. Während der Bewegung in Richtung des Ventilsitzes wird die Stoßwelle bzw. Druckwelle weder gestört noch gedämpft, so dass sie sich gleichmäßig ausbreiten kann. Ferner ist eine gleichmäßige Beaufschlagung des Ventilschließelementes entgegen der Federkraft der das Ventilschließelement in Schließstellung haltenden Feder gewährleistet, so dass das Öffnen des Ventilschließelementes einen gleichmäßigen Strahlhohlkegel erzeugt.

Vorzugsweise ist der Kolben mittelbar über die Membran mit dem Ventilgehäuse und/oder mit dem Ventilschließelement verbunden, wobei der Kolben vorzugsweise unabhängig vom Ventilschließelement bewegbar ist. D. h., dass die Membran eine Relativbewegung des Kolbens gegenüber dem Ventilschließelement zulässt, um das Öffnen des Ventilschließelementes mittelbar über die im Medium erzeugte Stoßwelle oder Druckwelle zu bewirken. Das Ventilschließelement kann dabei durch eine Öffnung der Membran geführt sein, wenn beispielsweise die Feder zur Rückstellung des Ventilschließelementes im zweiten Raum angeordnet ist. Die Membran kann auch aus zwei ringförmigen Teilen bestehen, wobei der erste Teil mit dem Ventilgehäuse und dem Kolben und der zweite Teil mit dem Kolben und dem Ventilschließelement verbunden ist. Um eine Bewegung des Kolbens und/oder des Ventilschließelementes zuzulassen, ist die Membran bevorzugt elastisch ausgebildet.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist am Ventilschließelement eine Druckstufe ausgebildet, welche beispielsweise die Form einer Radius- aufweitung besitzen kann. Eine sich im einzuspritzenden Medium ausbreitende Stoßwelle oder Druckwelle trifft auf ihrem Weg zur Einspritzöffnung auf die am Ventilschließelement ausgebildete Druckstufe und beaufschlagt das Ventilschließelement mit einer öffnenden Kraft. Dabei ist die Fläche der Druckstufe bevorzugt derart gewählt, dass die öffnende Kraft die Federkraft der Schließfeder und einen am Ventilschließ- element anliegenden Umgebungsdruck zu überwinden vermag. Bei entsprechender Auslegung der Druckstufe wird das Ventilschließelement in Ausbreitungsrichtung der Stoßwelle bzw. Druckwelle beschleunigt und aus dem Ventilsitz gehoben. Über den freigegebenen Querschnitt erfolgt dann die Einspritzung des Mediums. Nach dem Durchlaufen der Stoßwelle bzw. Druckwelle bremst die Schließfeder das Ventilschließelement ab und drückt dieses in den Ventilsitz zurück. Die Lage und Form der Druckstufe am Ventilschließelement ist mit der Laufzeit der Stoßwelle bzw. Druckwelle zur Einspritzöffnung abgestimmt, so dass das Ventilschließelement seinen größtmöglichen Hub erreicht hat, wenn die Stoßwelle bzw. Druckwelle auf die Einspritzöffnung trifft. Dadurch ist gewährleistet, dass ein größtmöglicher Querschnitt für die Einspritzung freigegeben wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kolben Bestandteil des Ventilschließelementes. Bei Betätigung des Wirbelstromaktors wird der Kolben und damit gleichzeitig das Ventilschließelement abgestoßen, so dass dieses vom Ventilsitz abhebt und die Einspritzöffnung freigibt. Dabei ist das System bevorzugt relativ träge ausgelegt, um zu gewährleisten, dass die Einspritzöffnung noch freigegeben ist, wenn die Stoßwelle bzw. Druckwelle die Einspritzöffnung erreicht. Zugleich darf das Ventilschließelement nicht zu lange für den Schließvorgang brauchen, um einen ungewollten Eintrag des einzuspritzenden Mediums zu verhindern. Insbesondere gilt es ein Nachtropfen des einzuspritzenden Mediums zu verhindern.

Vorteilhafterweise ist die Membran, mittels welcher der Wirbelstromaktor gegenüber dem einzuspritzenden Medium abgedichtet ist, als Well- oder Balgmembran ausgebildet. Durch eine entsprechende Formgebung der Membran wird bereits eine Elastizität erreicht, die eine Relativbewegung der mit der Membran verbundenen Bauteile gegenüber dem Ventilgehäuse und/oder gegeneinander zulässt. Auch die als Well- oder Balgmembran ausgebildete Membran kann zweiteilig, d.h. aus zwei konzentrischen Ringen bestehend, ausgebildet sein, um einerseits den Kolben mit dem Ventilgehäuse, andererseits das Ventilschließelement mit dem Kolben zu verbinden.

Die das Ventilschließelement in Schließrichtung beaufschlagende Feder ist vorzugsweise unmittelbar und mittelbar gehäuseseitig abgestützt. Dabei kann die Feder als Druckfeder oder als Zugfeder ausgebildet sein. Die Anordnung der Feder kann ferner im ersten Raum oder im zweiten Raum erfolgen, wobei im letztgenannten Fall das Ventilschließelement durch eine Öffnung der Membran in den zweiten Raum geführt ist. Zur Abstützung der Feder kann am Ventilschließelement ein scheibenförmiger Ansatz ausgebildet sein. Um die Montage des Einspritzventils zu ermöglichen, ist dann das Ventilschließelement zumindest zweiteilig ausgeführt.

Das nach außen öffnende Ventilschließelement weist vorzugsweise einen mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Schließkegel auf, wobei weiterhin vorzugsweise der Ventilsitz ebenfalls kegelförmig ausgebildet ist. Die Spraygeometrie weist somit die Form eines Hohlkegels auf.

Im Ventilgehäuse ist ferner bevorzugt wenigstens eine in den ersten Raum mündende Bohrung als Zulauf und/oder Ablauf für das einzuspritzende Medium ausgebildet. Es genügt eine einzige Bohrung, die zugleich als Zulauf und als Ablauf dient, sofern ein Ablauf erforderlich ist. Nach einem Einspritzvorgang kann über die als Zulauf dienende Bohrung der erste Raum des Ventilgehäuses wieder mit dem einzuspritzenden Medium befüllt werden. Der Systemdruck liegt dabei vorzugsweise unter 10 bar. Der Durchmesser der als Zulauf und/oder Ablauf dienenden Bohrung ist möglichst klein zu wählen, vorzugsweise ist die Bohrung als Drossel ausgebildet, um ein Eindringen der im Medium erzeugten Druckwelle in die Bohrung zu unterbinden bzw. mit lediglich minimaler Amplitude zu ermöglichen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass sich die Querschnittsfläche des ersten Raums zum Ventilsitz hin verringert. Die Verringerung der Querschnittsfläche bewirkt eine Verstärkung der sich in Richtung Ventilsitz ausbreitenden Stoßwelle bzw. Druckwelle. Der Eintrag des einzuspritzenden Mediums kann dadurch verbessert werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen ersten schematischen Längsschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Einspritzventil, Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Einspritzventil, und

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Ein- spritzventil.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die dargestellten bevorzugten Ausführungsformen weisen jeweils ein Ventilgehäuse 1 zur Ausbildung eines ersten Raumes 2 und eines zweiten Raumes 5 auf, welche über eine elastische Membran 7 fluiddicht voneinander getrennt sind. Der erste Raum 2 dient der Aufnahme des einzuspritzenden Mediums 3, das über eine als Zulauf dienende Bohrung 13 in den ersten Raum 2 gelangt. Im ersten Raum 2 ist ferner zumindest teilweise ein Ventilschließelement 4 aufgenommen, das als nach außen öffnendes Ventilschließelement ausgebildet ist. Das Ventilschließelement 4 besitzt einen Schließkegel 12, welcher mit einem kegelförmigen Ventilsitz 10 in der Weise zusammenwirkt, dass ein ringförmiger Querschnitt zum Einspritzen des Mediums in Offenstellung des Ventilschließelementes 4 freigegeben wird. Das Medium 3 wird demnach in Form eines Sprayhohlkegels eingebracht.

Die Betätigung des Ventilschließelementes 4 erfolgt bei den dargestellten bevorzugten Ausführungsformen jeweils über einen Wirbelstromaktor 6, der im zweiten Raum 5 angeordnet ist und somit über die Membran 7 gegenüber dem Medium 3 abgedichtet ist. Bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 wirkt der Wrbelstromaktor 6 auf einen scheibenförmigen Kolben 9 ein, der jenseits der Membran 7 im ersten Raum 2 angeordnet ist. Die Betätigung des Wrbelstromaktors 6 bewirkt, dass der Kolben 9 abgestoßen, d. h. stoßartig in Richtung des Ventilsitzes 10 bewegt wird, wobei eine Stoßwelle 14 erzeugt wird, die sich ebenfalls in Richtung des Ventilsitzes 10 ausbreitet. Der Kolben 9 ist hierzu beweglich über die Membran 7 im Ventilgehäuse 1 gelagert. Dabei ist über die Membran 7 zugleich sichergestellt, dass sich der Kolben 9 unabhängig von dem Ventilschließelement 4 bewegen kann. Denn die Betätigung des Ventilschließelementes 4 erfolgt mittelbar über die vom Kolben 9 erzeugte Stoßwelle 14, die auf ihrem Weg zum Ventilsitz 10 auf eine am Ventilschließelement 4 ausgebildete Druckstufe 1 1 in Form einer radialen Aufweitung trifft und somit das Ventilschließelement 4 mit einer öffnenden Kraft beaufschlagt.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist das Ventilschließelement 4 durch eine Öffnung der Membran 7 in den zweiten Raum 5 geführt und wird dort von der Federkraft einer

Feder 8 in Schließrichtung beaufschlagt. Zur Abstützung der Feder 8 ist an dem Ventilschließelement 4 ein scheibenförmiger Ansatz ausgebildet. Aufgrund der Unterbringung der Feder 8 im zweiten Raum 5 ist diese ebenfalls über die Membran 7 vom einzuspritzenden Medium 3 getrennt. Als Feder 8 dient bei der Ausführungsform der Fig. 1 eine Schraubendruckfeder.

Fig. 2 stellt eine Variante der Ausführungsform der Fig. 1 dar, welche sich von dieser dadurch unterscheidet, dass anstelle einer Druckfeder eine Zugfeder zur Erzeugung einer auf das Ventilschließelement 4 wirkenden Vorspann- und Schließkraft Einsatz findet. Die Zugfeder kann als elastisches Element ausgebildet sein, welche über ein

Gegenlager 15 am Ventilgehäuse 1 abgestützt ist. Ferner kann, wie in der Fig. 2 dargestellt, das Gegenlager 15 oder alternativ die Zugfeder 8 anstelle des Ventilschließelementes 4 durch eine Öffnung der Membran 7 geführt sein, um die gehäuseseitige Abstützung zu ermöglichen.

Die Ausführungsform der Fig. 3 unterscheidet sich von denen der Fig. 1 und 2 dadurch, dass der Kolben 9 in das Ventilschließelement 4 integriert ist. D. h., dass der Kolben 9 und das Ventilschließelement 4 ein Bauteil bilden, so dass die Betätigung des Wirbelstromaktors 6 nicht nur ein Abstoßen des Kolbens 9, sondern zugleich das Abheben des Ventilschließelementes 4 vom Ventilsitz 10 bewirkt. Eine unabhängige Bewegung des Kolbens 9 gegenüber dem Ventilschließelement 4 ist bei dieser Ausführungsform nicht möglich. Die das Ventilschließelement 4 in Schließrichtung mit einer Druckkraft beaufschlagenden Feder 8 ist einerseits an einem Gehäuseabsatz im ersten Raum 2 des Ventilgehäuses 1 und andererseits am Kolben 9 abgestützt. Die Feder 8 wird bei dieser Ausführungsform demnach von dem einzuspritzenden Medium 3 umströmt. Die

Abdichtung des Wirbelstromaktors 6 gegenüber dem einzuspritzenden Medium 3 erfolgt durch eine ringförmige Balgmembran 7, welche einerseits mit dem Ventilgehäuse 1 und andererseits mit dem Kolben 9 verbunden ist. Die balgartige Ausführung der Membran 7 ermöglicht eine Bewegung der Einheit aus Kolben 9 und Ventilschließele- ment 4 gegenüber dem Ventilgehäuse 1. Die Schließkraft der Feder 8 ist derart ausgelegt, dass das Ventilschließelement 4 sich noch in der Offenstellung befindet, wenn die über den Kolben 9 erzeugte Stoßwelle 14 den Ventilsitz 10 erreicht. Das Masse-Feder- System aus Schließelement und Schließfeder ist demnach relativ träge ausgelegt. Zu- gleich ist durch entsprechende Auslegung der Feder 8 gewährleistet, dass ein rechtzeitiges Schließen des Ventilschließelementes 4 sichergestellt ist, um ein Nachtropfen des einzuspritzenden Mediums 3 zu verhindern.