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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dosiervorrichtung zur Dosierung
von druckbeaufschlagten Flüssigkeiten,
insbesondere ein Einspritzventil für ein Kraftstoff-Einspritzsystem
in einem Verbrennungsmotor, das einen Ventilkörper mit einer Flüssigkeitskammer
für die
zu dosierende druckbeaufschlagte Flüssigkeit beinhaltet, wobei
die Flüssigkeitskammer
mit einer Dosieröffnung
endet, eine axial bewegliche Ventilnadel, die durch die Flüssigkeitskammer
geht, wobei die Ventilnadel ein erstes Ende hat, das das Öffnen und
Schließen
der Dosieröffnung steuert,
ein zweites Ende, das mit einer Stellglied-Baugruppe kooperiert,
die in einer Stellgliedkammer angeordnet ist und die Axialbewegung
der Ventilnadel steuert, sowie ein Dichtungselement, das die Stellgliedkammer
und die Flüssigkeitskammer hydraulisch
voneinander isoliert.
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Eine
derartige Dosiervorrichtung wird beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung
EP 1 046 809 A2 offenbart.
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Bei
der Herstellung von Ventilen, die durch piezoelektrische Stellglieder
gesteuert werden und für
Hochdruck-Direkteinspritzsysteme
für Benzinmotoren
bestimmt sind, ist es von wesentlicher Bedeutung, eine hydraulische
Dichtung bereitzustellen, um den Raum abzudichten, durch den das
druckbeaufschlagte Benzin strömt,
d. h. die Flüssigkeitskammer von
der Kammer, in der das Stellglied angeordnet ist, d. h. der Stellgliedkammer.
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Grundlegende
Anforderungen an dieses Dichtungselement sind:
- – Fähigkeit,
bei hohen Flüssigkeitsdruckwerten, die
200 Bar übersteigen,
sowie bei den dabei erzeugten Druck- und Hydraulikkolbenspitzen
zu arbeiten, die durch das Öffnen
und Schließen
der Einspritzventilnadel induziert werden,
- – Wirksamkeitsgarantie
während
der gesamten erwarteten Lebenszeit des Einspritzventils, einschließlich Bruch-, Kriechdehnungs-
und Ermüdungsbeanspruchungsfestigkeit
und dergleichen,
- – zufriedenstellende
Standzeit der Komponente in ihrer Betriebsumgebung, einschließlich chemischer
Toleranz gegen Benzin, Wärmebelastung und
dergleichen,
- – möglichst
geringe Anzahl mechanischer Teile und absolute Zuverlässigkeit
des Elements sowie
- – möglichst
geringe Material-, Fertigungs- und Montagezeiten bzw. -kosten.
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Bei
der in der Patentschrift
EP
1 046 809 A2 beschriebenen Dosiereinrichtung, von der ein
Beispiel in
4 dargestellt wird, beinhaltet
der Ventilkörper
1 eine
Stellgliedkammer
9 und eine Flüssigkeitskammer
2,
die mit einer Dosieröffnung
3 endet, wobei
zwischen den Kammern das Dichtungselement
101–
10n angeordnet
ist. Die axial verschiebbare Ventilnadel
4 geht durch die
Flüssigkeitskammer
2. Die
Ventilnadel
4 hat ein erstes Ende
5, das das Öffnen und
Schließen
der Dosieröffnung
3 steuert,
sowie ein zweites Ende
6, das mit der in der Stellgliedkammer
9 angeordneten
Stellglied-Baugruppe
7,
8 kooperiert, die die
axiale Bewegung der Ventilnadel
4 steuert. Die Stellglied-Baugruppe
beinhaltet einen piezoelektrischen Stapel
7 und eine untere
Verschlusskappe
8. Die untere Verschlussklappe
8 der
Stellglied-Baugruppe ist in Hertzschem Kontakt mit dem zweiten Ende
6 der
Ventilnadel
4, da das zweite Ende
6 der Ventilnadel
4 gegen
die untere Verschlusskappe
8 durch die Spiralfeder
12 vorgespannt
ist, die axial zwischen einem Federsitz
14 des Ventilkörpers
1 und
der vorspringenden Unterlegscheibe
13 zusammengedrückt ist,
die an der Ventilnadel
4 befestigt ist.
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Das
Dichtungselement 10l–10n wird
durch einen Metallbalg 101 gebildet – ein Element, das axial verformbar
ist und die zwischen den beiden beschriebenen Volumina erforderliche
Trennung gewährleisten
soll, z. B. zwischen dem Benzin in der Flüssigkeitskammer 2 und
dem außerhalb
davon liegenden piezoelektrischen Stapel 7 als Teil der
Stellglied-Baugruppe, d. h. in der Stellgliedkammer 9.
Der obere Bund des Metallbalgs 101 ist an einer Unterlegscheibe 10m befestigt,
die wiederum an der Ventilnadel 4 befestigt ist, und der
untere Bund des Metallbalgs 101 ist an einem Ringelement 10n befestigt, das
wiederum an der Innenzylinderfläche 11 des Ventilkörpers 1 befestigt
ist. Der Metallbalg 101 bietet eine hohe mechanische Elastizität in Richtung
der Bewegung der Ventilnadel 4, einen ausreichenden Widerstand
gegen Kraftstoffdruckwerte von bis zu 500 Bar sowie eine hohe Zuverlässigkeit
in Bezug auf Leckagen, und dies über
den erforderlichen Temperaturbereich von –40°C bis +150°C. Ein Einspritzventil mit einem
derartigen Metallbalg in diesen Abmessungen hat jedoch die Nachteile
hoher Komponenten- und Fertigungskosten sowie einer komplexen Montage,
die zwei hermetische Schweißnähte erfordert,
um den Metallbalg an der Unterlegscheibe 10m und dem Ringelement 10n zu
befestigen, sowie zwei hermetische Schweißnähte, um die Unterlegscheibe 10m an
der Ventilnadel 4 zu befestigen und das Ringelement 10n an
der Innenzylinderfläche 11 des
Ventilkörpers 1.
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Die
Patentschrift
DE 100
16 247 A1 offenbart ein Einspritzventil mit einer Dichtungsmembran,
die für
die Isolierung zwischen einer Flüssigkeitskammer und
einer Stellgliedkammer sorgt. Die Dichtungsmembran ist als Unterlegscheibe
mit einer Vertiefung in der Mitte ausgebildet. Ein Positionierelement,
das mit einem Stellglied gekoppelt ist, hat einen Kolben, der in
der Vertiefung in der Mitte der Dichtungsmembran angeordnet ist.
Die Dichtungsmembran wird hermetisch an das Positionierelement und
den Ventilkörper
festgeschweißt.
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Angesichts
der vorstehenden Ausführungen hat
die vorlegende Erfindung das Ziel, eine Dosiervorrichtung des oben
genannten Typs bereitzustellen, die leichter und wirtschaftlicher
herzustellen ist, wobei zugleich jedoch die oben spezifizierten
Anforderungen erfüllt
werden.
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Dieses
Ziel wird durch eine Dosiervorrichtung mit den in den beigefügten Patentansprüchen 1, 3
und 5 genannten Merkmalen erreicht.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Dosiervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung werden in den entsprechenden nachstehenden abhängigen Ansprüchen offenbart.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung wird das Dichtungselement in einer Dosiervorrichtung
mit den in Patentanspruch 1 genannten Merkmalen durch ein elastisches
Element gebildet, das hermetisch am Ventilkörper und an einer unteren Verschlusskappe
der Stellglied-Baugruppe oder einem Wärmekompensator befestigt ist,
wobei besagte untere Verschlusskappe in Kontakt mit dem zweiten Ende
der Ventilnadel ist. Daher kann die Dichtung zwischen anderen Teilen
als beim bisherigen Stand der Technik angewandt werden, so dass
sich zusätzliche
Freiheiten bei der Konstruktion der Vorrichtung ergeben und damit
andere Anforderungen individuell erfüllt werden können. Das
Dichtungselement beinhaltet eine metallische Unterlegscheibe, die
hermetisch über
ihren Innendurchmesser mit der unteren Verschlusskappe der Stellglied-Baugruppe
und über ihren
Außendurchmesser
mit der Innenzylinderfläche des
Ventilkörpers
verbunden ist. Eine derartige metallische Unterlegscheibe bietet
eine starre und sichere Verbindung zwischen den betreffenden Komponenten.
Zudem beinhaltet das Dichtungselement einen Gummiring, der so ausgelegt
ist, dass er zwischen die untere Verschlusskappe der Stellglied-Baugruppe
und die Innenfläche,
bei der es sich vorzugsweise um einen Dichtungssitz handelt, des Ventilkörpers passt,
und so angeordnet ist, dass er in Kontakt mit der metallischen Unterlegscheibe
auf der Stellgliedkammer-Seite ist. Dies bewirkt eine robuste Auslegung
der Dichtung.
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Dies
gilt insbesondere dann, wenn vorzugsweise ein konischer Anteil der
Metallunterlegscheibe so ausgelegt ist, dass er einer Verformung
auf Grund von Druckspitzen widersteht, die in der Flüssigkeitskammer
auf Grund der Auswirkung von Kräften
von der unteren Verschlusskappe der Stellglied-Baugruppe auf das
zweite Ende der Ventilnadel erzeugt werden.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung beinhaltet das Dichtungselement einen Metallbalg,
der an seinem oberen Bund hermetisch mit der unteren Verschlusskappe
der Stellglied-Baugruppe und an seinem unteren Bund mit der Innenzylinderfläche des
Ventilkörpers
verbunden ist. Durch Verwendung eines Metallbalgs kann die vorliegende Erfindung
auf den Erfahrungen mit Vorrichtungen, die dem bisherigen Stand
der Technik entsprechen, aufbauen. Eine spezielle Anordnung des
Metallbalgs ermöglicht
zusätzliche
Freiheit in Bezug auf die Konstruktion der Vorrichtung. Weiterhin
beinhaltet das Dichtungselement ein Gummielement, das so konstruiert
ist, dass es zwischen den Metallbalg und die Innenfläche, vorzugsweise
ein Dichtungssitz, des Ventilkörpers
passt, und so angeordnet ist, dass es in Kontakt mit dem Metallbalg
auf der Stellgliedkammer-Seite ist. Auch in dieser Ausführungsform
bewirkt dies eine robuste Auslegung der Dichtung.
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In
diesem Fall ist der Metallbalg vorzugsweise so konstruiert, dass
er einer Verformung auf Grund von Druckspitzen widersteht, die in
der Flüssigkeitskammer
auf Grund der Auswirkung von Kräften
von der unteren Verschlusskappe der Stellglied-Baugruppe auf das
zweite Ende der Ventilnadel erzeugt werden. Auf diese Weise können die
allgemeinen Anforderungen erfüllt
werden.
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Gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung beinhaltet das Dichtungselement einen Metallbalg,
der an seinem oberen Bund hermetisch mit der unteren Verschlusskappe
der Stellglied-Baugruppe verbunden ist, und einem Flansch, der hermetisch
mit dem unteren Bund des Metallbalgs verbunden oder zusammen mit
dem Bund komplett als Flansch ausgebildet und hermetisch mit der
Innenzylinderfläche
des Ventilkörpers
verbunden ist. Dadurch wird eine weitere Möglichkeit der Anordnung eines
bewährten
Metallbalgs geschaffen. Weiterhin beinhaltet das Dichtungselement
ein Gummielement, das so konstruiert ist, dass es zwischen den Metallbalg
und den Flansch passt. Dies verleiht dem Metallbalg Steifigkeit.
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In
diesem Fall ist der Metallbalg vorzugsweise so konstruiert, dass
er einer Verformung auf Grund von Druckspitzen widersteht, die in
der Flüssigkeitskammer
auf Grund der Auswirkung von Kräften
von der unteren Verschlusskappe der Stellglied-Baugruppe auf das
zweite Ende der Ventilnadel erzeugt werden. Auf diese Weise können auch
in der dritten Ausführungsform
die allgemeinen Anforderungen erfüllt werden.
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In
der Dosiervorrichtung gemäß jeder
der bevorzugten Ausführungsformen
kann die hermetische Verbindung zwischen diesen beiden Elementen
das Verschweißen
dieser Elemente beinhalten.
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Die
Erfindung ist sowohl hinsichtlich ihres Aufbaus als auch ihres Betriebsverfahrens
sowie ihrer zusätzlichen
Ziele und Vorteile am besten an Hand der folgenden Beschreibung
der drei beispielhaften Ausführungsformen
zu verstehen, die in Verbindung mit den beigefügten Abbildungen zu lesen ist,
wobei:
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1 eine
schematische axiale Querschnittansicht eines Teils eines Einspritzventils
gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
schematische axiale Querschnittansicht eines Teils eines Einspritzventils
gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
schematische axiale Querschnittansicht eines Teils eines Einspritzventils
gemäß einer
dritten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und
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4 eine
schematische axiale Querschnittansicht eines Einspritzventils gemäß dem bisherigen
Stand der Technik ist.
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In
der folgenden Beschreibung von drei beispielhaften Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung bezeichnen die gleichen Referenzzeichen wie in 4 dargestellt
stets gleiche oder gleichwertige Teile, die jeweils im Wesentlichen
die gleiche Funktionalität
haben. Diese Teile können
unter Umständen
ein wenig anders als in 4 dargestellt angeordnet sein,
jedoch haben sie die gleiche Funktionalität, wie dies für Fachleute
leicht ersichtlich ist. Daher wird auf eine ausführliche Beschreibung dieser
Teile verzichtet, und es werden nur die Unterschiede bei jeder Dosiervorrichtung
gemäß der jeweiligen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausführlich
beschrieben.
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Gemäß der ersten
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird – wie in 1 dargestellt – die hermetische
Dichtung zwischen der Flüssigkeitskammer 2 und
der Stellgliedkammer 9 durch eine Metallunterlegscheibe
bewerkstelligt, die einen konischen Anteil 10a beinhaltet,
der starr und hermetisch – z.
B. durch Verschweißen – über seinen
Innendurchmesser mit einer Endanschlagfläche der unteren Verschlusskappe 8 des
piezoelektrischen Stellglieds verbunden ist. Alternativ kann der
konische Anteil 10a auch starr – z. B. durch Verschweißen – über seinen
Innendurchmesser mit einer Endanschlagfläche eines Wärmekompensators verbunden sein, falls
ein derartiger Kompensator zwischen den piezoelektrischen Stapel 7 und
das zweite Ende 6 der Ventilnadel 4 eingefügt ist.
Der Außendurchmesser
des konischen Anteils 10a ist hermetisch mit einem Ringteil 10b der
Metallunterlegscheibe verbunden, die wiederum starr und hermetisch – z. B.
durch Verschweißen – mit der
Innenzylinderfläche 11 des
Ventilkörpers 1 verbunden
ist. Der konische Anteil 10a der Metallunterlegscheibe
kann den Verformungen widerstehen, die durch Druckspitzen innerhalb
der Flüssigkeitskammer
bedingt werden. Um dieser Dichtung Robustheit zu verleihen, kann zwischen
dem Dichtungssitz 15 des Ventilkörpers 1 und dem konischen
Anteil 10a der Metallunterlegscheibe ein elastisches Element 10c,
z. B. ein Gummiring angeordnet werden, das – wie in 1 gezeigt – einen
rechteckigen Querschnitt haben kann. Da die Spiralfeder 12,
die die Ventilnadel 4 so vorspannt, dass die Dosieröffnung 3 geschlossen
ist, in dieser Ausführungsform
in die Flüssigkeit „eingetaucht" ist, kann die Flüssigkeitskammer
recht groß ausgelegt
werden, was weniger hohe Druckspitzen bedingt.
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Gemäß der zweiten
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird – wie in 2 dargestellt – die hermetische
Dichtung zwischen der Flüssigkeitskammer 2 und
der Stellgliedkammer 9 durch einen Metallbalg 10d mit
bewährten Standardabmessungen
bewerkstelligt, der starr und hermetisch – z. B. durch Verschweißen – an seinem oberen
Bund 10e mit einer Endanschlagfläche der unteren Verschlusskappe 8 des
piezoelektrischen Stellglieds verbunden ist. Wie im ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann der obere Bund 10e alternativ auch starr – z. B.
durch Verschweißen – mit einer
Endanschlagfläche
eines Wärmekompensators verbunden
werden, falls ein derartiger Kompensator zwischen den piezoelektrischen
Stapel 7 und das zweite Ende 6 der Ventilnadel 4 eingefügt wird.
Der untere Bund 10f des Metallbalgs 10d ist starr
und hermetisch – z.
B. durch Verschweißen – mit der
Innenzylinderfläche 11 des
Ventilkörpers 1 verbunden. Der
Metallbalg 10d kann Verformungen auf Grund von Druckspitzen
widerstehen, die sich innerhalb der Flüssigkeitskammer bilden. Um
dieser Dichtung Robustheit zu verleihen, kann zwischen dem Dichtungssitz 15 des
Ventilkörpers 1 und
dem Metallbalg 10d ein elastisches Element 10g angeordnet
werden, das vorzugsweise einen Querschnitt hat, der wie in 2 dargestellt
an den des Metallbalgs 10d angepasst ist. Da auch in dieser
Ausführungsform
die Spiralfeder 12, die die Ventilnadel 4 so vorspannt,
dass die Dosieröffnung 3 geschlossen
ist, in die Flüssigkeit „eingetaucht" ist, kann die Flüssigkeitskammer
recht groß ausgelegt
werden, was weniger hohe Druckspitzen bedingt.
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Die
dritte bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhaltet – wie in 3 dargestellt – eine Abänderung
der zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die hermetische Dichtung zwischen der
Flüssigkeitskammer 2 und
der Stellgliedkammer 9 wird ebenfalls von einem Metallbalg 10h mit
bewährten
Standardabmessungen bewerkstelligt, der starr und hermetisch – z. B.
durch Verschweißen – an seinem
oberen Bund 10i mit einer Endanschlagfläche der unteren Verschlusskappe 8 des
piezoelektrischen Stellglieds verbunden ist. Wie in der ersten und
der zweiten bevorzugten Ausführungsform
kann der obere Bund 10i auch alternativ starr – z. B.
durch Verschweißen – mit der
Endanschlagfläche
eines Wärmekompensators
verbunden sein, falls ein derartiger Kompensator zwischen den piezoelektrischen
Stapel 7 und das zweite Ende 6 der Ventilnadel 4 eingefügt ist.
Der untere Bund 10j des Metallbalgs 10h ist starr und
hermetisch – z.
B. durch Verschweißen – mit einem
Flansch verbunden oder zusammen mit dem Bund komplett als Flansch
ausgebildet, der starr und hermetisch – z. B. durch Verschweißen – mit der
Innenzylinderfläche 11 des
Ventilkörpers 1 verbunden ist.
Der Flansch stellt eine Fläche
bereit, die gegenüber
dem Metallbalg 10h auf der Seite der Stellgliedkammer 9 angeordnet
ist. Der Metallbalg 10h kann den Verformungen auf Grund
von Druckspitzen widerstehen, die sich innerhalb der Flüssigkeitskammer
bilden. Um dieser Dichtung Robustheit zu verleihen, kann zwischen
dem Flansch des unteren Bundes 10j und dem Metallbalg 10h ein
elastisches Element 10k angeordnet werden, das vorzugsweise
einen Querschnitt hat, der wie in 3 dargestellt
an den des Metallbalgs 10h angepasst ist. Im Vergleich zur
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gewährleistet
diese dritte bevorzugte Ausführungsform
eine einfachere Fertigung. Da auch in dieser Ausführungsform
die Spiralfeder 12, die die Ventilnadel 4 so vorspannt,
dass die Dosieröffnung 3 geschlossen
ist, in die Flüssigkeit „eingetaucht" ist, kann die Flüssigkeitskammer
recht groß ausgelegt
werden, was weniger hohe Druckspitzen bedingt.
-
Offenbart
wird eine Dosiervorrichtung zur Dosierung druckbeaufschlagter Flüssigkeiten,
insbesondere ein Einspritzventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem
in einem Verbrennungsmotor, bei dem die hermetische Dichtung zwischen
der Flüssigkeitskammer
für die
zu dosierende druckbeaufschlagte Flüssigkeit und der Stellgliedkammer
durch ein elastisches Element bewerkstelligt wird, das hermetisch am
Ventilkörper
und an einer unteren Verschlusskappe der Stellglied-Baugruppe oder
einem Wärmekompensator
befestigt ist.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen und in den
Patentansprüchen
offenbarten Merkmale können
sowohl für
sich als auch in jeder möglichen
Kombination wichtig für
die Verwirklichung der Erfindung sein.