-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekompensatoreinheit zur Verwendung
in einem Zumesssystem zum Dosieren von unter Druck gesetztem Fluid,
insbesondere in einem Kraftstoffeinspritzventil in einer Verbrennungskraftmaschine,
wobei die Zumessvorrichtung ein Gehäuse mit einer Zumessöffnung,
eine durch das Gehäuse
hindurch verlaufende Ventilnadel mit einem ersten Ende, welches
von einer Betätigungsanordnung
außerhalb
des Gehäuses
betätigt
wird, und einem zweiten Ende umfasst, welches das Öffnen und
Schließen
der Zumessöffnung
steuert, wobei die Wärmekompensatoreinheit mit
der Betätigungseinheit
und dem Gehäuse
zusammenwirken kann, um eine unterschiedliche Wärmedehnung des Gehäuses und
der Betätigungsanordnung
auszugleichen, um einen elastischen Kontakt zwischen einem Endanschlag
des Gehäuses,
der Betätigungsanordnung
und der Ventilnadel sicherzustellen, wobei die Wärmekompensatoreinheit ein Übertragungsmittel
zum Übertragen
einer axialen Ausfahrbewegung der Betätigungsanordnung auf ein Kompensatorgehäuse durch
Verdrängen
einer Hydraulikflüssigkeit
aus einer ersten Fluidkammer in eine zweite Fluidkammer in einer
Aktivierungsphase der Betätigungsanordnung
umfasst, wobei die erste Fluidkammer und die zweite Fluidkammer
verbunden sind und die Hydraulikflüssigkeit in einer vorgegebenen
Verteilung in einem Ausgangszustand, in welchem die Betätigungsanordnung
nicht aktiv ist, und ein Rückstellmittel
zum Zurückführen der
Hydraulikflüssigkeit
in ihren Ausgangszustand aus der zweiten Fluidkammer in die erste Fluidkammer
in einer Deaktivierungsphase der Betätigungsanordnung umfassen.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Zumessvorrichtung,
insbesondere ein Einspritzventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem
in einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Gehäuse mit einer
Zumessöffnung,
einer durch das Gehäuse
hindurch verlaufenden Ventilnadel mit einem ersten Ende, welches
von einer Betätigungsanordnung
außerhalb
des Gehäuses
betätigt
wird, und einem zweiten Ende, welches das Öffnen und Schließen der
Zumessöffnung
steuert.
-
Bei
der Konstruktion von Einspritzventilen zum Direkteinspritzen von
Benzin unter hohem Druck durch Betätigen einer Betätigungsanordnung,
insbesondere einer piezoelektrischen Gruppe, ist es wesentlich,
dass die Erfordernisse für
die Kraftstoffdurchflussmenge und die Geometrie der Düse unter allen
möglichen
Betriebsbedingungen des Einspritzventils erfüllt werden.
-
Von
besonderer Wichtigkeit ist der Einfluss der Temperatur auf die Größe der Veränderungen
der prinzipiellen Funktionsparameter des Einspritzventils. Innerhalb
des erforderlichen vollen Bereichs der Betriebstemperatur von –40°C bis +150°C müssen die
Durchflussmenge und andere Parameter, welche die Funktionsweise
des Einspritzventils kennzeichnen, innerhalb eines vorgegebenen
Toleranzbereichs bleiben.
-
Infolge
der Wärmedehnungen,
denen das äußere Stahlgehäuse des
Einspritzventils unterliegt, würde
der piezoelektrische Aktor, welcher einen niedrigeren Wärmedehnungskoeffizienten
als das äußere Gehäuse aufweist,
nicht den ordnungsgemäßen Kontakt
zwischen seiner festen Endanschlagsfläche und dem oberen Ende der
Ventilnadel aufrechterhalten.
-
Zur
Bewältigung
dieses Problems, d.h. um die unterschiedlichen Wärmedehnungen von Gehäuse und
piezoelektrischem Stack auszugleichen, ist das Einspritzventil typischerweise
mit einer hydraulischen Wärmekompensatoreinheit
ausgestattet. Wenn die Betriebstemperatur ansteigt, gleicht die Wärmekompensatoreinheit
den Luftspalt aus, welcher andernfalls zwischen der Ventilnadel
und dem piezoelektrischen Aktor geschaffen würde, und vermeidet dadurch
unrichtige und potenziell gefährliche Betriebsbedingungen.
-
Grundsätzliche
Erfordernisse für
eine solche Wärmekompensatoreinheit
sind
- – die
Fähigkeit
zum Ausgleichen der unterschiedlichen Wärmedehnungen, welche die notwendigen
Einspritzkapazitäten
gewährleisteen,
welche durch den gewünschten
Hub der Ventilnadel bei den mehreren voraussagbaren Temperaturen
für die
Aktivität
des Fahrzeugs erhalten werden sollen,
- – Effektivität während der
gewöhnlich
schnellen Wärmeübertragungen,
- – eine
totale Sicherheit der Vorrichtung, und
- – niedrige
Fertigungs- und Montagezeiten und -kosten.
-
In
US 2002/0179062 A1 ist ein hydraulischer Kompensator für ein piezoelektrisches
Kraftstoffeinspritzventil offenbart. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst
ein Einspritzventilgehäuse
und einen Ventilkörper,
einen piezoelektrischen Aktor mit einem ersten und einem zweiten
Ende, eine mit dem ersten Ende des piezoelektrischen Aktors verbundene
Ventilnadel und den mit dem zweiten Ende des piezoelektrischen Aktors
verbundenen hydraulischen Kompensator. In dem Einspritzventilgehäuse sind
der piezoelektrische Aktor und der hydraulischen Kompensator eingeschlossen.
Der Ventilkörper
ist an dem Einspritzventilgehäuse
befestigt und umschließt
die Ventilnadel. Der hydraulische Kompensator umfasst ein Gehäuse mit
einer Fluidkammer und einen mit Hydrauliköl gefülltem Vorratsspeicher, welche
durch einen Drosselkanal verbunden sind. Der Vorratsspeicher umfasst
einen Faltenbalg, so dass das Volumen des Vorratsspeichers innerhalb
eines vorgegebenen Bereiches variabel ist. Außerhalb des Vorratsspeichers
ist eine Druckfeder angeordnet, welche mit dem Faltenbalg verbunden
ist und das Volumen des Vorratsspeichers komprimiert und das Hydrauliköl durch
den Drosselkanal in die Fluidkammer drückt, um deren Gleichgewichtsstellung
wieder zu erlangen. In der Fluidkammer ist ein Kolben angeordnet, welcher
sich in Axialrichtung bewegen kann. Zwischen dem Kolben und dem
Gehäuse
des hydraulischen Kompensators wird ein O-Ring zum Abdichten der Fluidkammer verwendet.
Das Volumen der Fluidkammer lässt
sich abhängig
von der axialen Stellung des Kolbens in der Fluidkammer verändern.
-
Diese
dynamischen Abdichtelemente aus Kunststoff oder Gummi, d.h. die
O-ringe, kann man nicht zuverlässig
als Abdichtmerkmale betrachten, welche eine Leistung mit Null-Leckage
ermöglichen. Diese
dynamischen Abdichtelemente aus Kunststoff oder Gummi üben auch
Reibungskräfte
zwischen den gleitenden Elementen aus, so dass die gleitenden Teile
nicht wieder genau die gleiche Gleichgewichtsstellung ohne alle
restliche Fehlausrichtung er langen können, die von Reibungskräften bei
jedem Temperaturzustand bewirkt wird.
-
In
WO 01/98651 A2 ist eine Vorrichtung zum Übertragen einer Bewegung mit
einem Spielausgleich offenbart. In einem Zylinder bildet ein Kolben eine
Fluidkammer, und von einem Faltenbalg, der auch als Druckfeder fungiert,
wird ein Vorratsspeicher gebildet. Die Fluidkammer und der Vorratsspeicher
sind durch ein Ventil und durch einen Fluidkanal verbunden, welcher
zwischen dem Kolben und dem Zylinder angeordnet ist. Der Kolben
wird von einem Piezoaktor in einer Aktivierungsphase des Piezoaktors
in Axialrichtung in den Zylinder gedrückt, und aus der Fluidkammer
wird ein Fluid durch den Fluidkanal hindurch in den Vorratsspeicher
gedrückt.
Der Faltenbalg drückt
das Fluid in einer Deaktivierungsphase des Piezoaktors aus dem Vorratsspeicher
durch das Ventil hindurch in die Fluidkammer zurück.
-
Angesichts
des Vorstehenden liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Wärmekompensatoreinheit
zur Verwendung in einer Zumessvorrichtung der oben genannten Art
mit verbessertem Verhalten, insbesondere in Bezug auf die Gleichgewichtsstellung,
sowie eine Zumessvorrichtung mit einer solchen Wärmekompensatoreinheit darin
zu schaffen.
-
Die
Aufgabe wird durch eine Wärmekompensatoreinheit
mit den Merkmalen des beigefügten
Anspruchs 1 erfüllt.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Wärmekompensatoreinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in den jeweiligen folgenden Unteransprüchen offenbart.
-
Eine
Zumessvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in Anspruch 3 definiert.
-
Gemäß der Erfindung
umfasst die Wärmekompensatoreinheit
ein Übertragungsmittel
zum Übertragen
einer axialen Ausfahrbewegung einer Betätigungsanordnung auf ein Kompensatorgehäuse durch
Verdrängen
einer Hydraulikflüssigkeit
aus einer ersten Fluidkammer in eine zweite Fluidkammer in einer
Aktivierungsphase der Betätigungsanordnung,
wobei die erste Fluidkammer und die zweite Fluidkammer verbunden
sind und die Hydraulikflüssigkeit
in einer vorgegebenen Verteilung in einem Ausgangszustand umfassen,
in welchem die Betätigungsanordnung
nicht aktiv ist. Sie umfasst des Weiteren ein Rückstellmittel zum Zurückführen der
Hydraulikflüssigkeit
in ihren Ausgangszustand aus der zweiten Fluidkammer in die erste
Fluidkammer in einer Deaktivierungsphase der Betätigungsanordnung. Sie schafft
mindestens ein jeweiliges elastisches Element für die erste Fluidkammer und
die zweite Fluidkammer, so dass ein jeweiliges Volumen der ersten Fluidkammer
und der zweiten Fluidkammer innerhalb eines vorgegebenen Bereiches
variabel ist. Das Übertragungsmittel
ist mit dem elastischen Element der ersten Fluidkammer verbunden
und/oder bildet einen Teil davon, und das Rückstellmittel ist mit dem elastischen
Element der zweiten Fluidkammer verbunden und/oder bildet einen
Teil davon. Damit können
die erste und die zweite Fluidkammer mit variablen Volumen hermetisch
abgedichtet werden, ohne dass dynamische Dichtelemente aus Kunststoff
oder Gummi zwischen den gleitenden Teilen verwendet zu werden brauchen.
Das führt
zur Fähigkeit
zur genauen Wiedererlangung der gleichen Gleichgewichtsstellung
bei jedem Temperaturzustand, da es zu keiner restlichen Fehlausrichtung
kommt, welche durch Reibungskräfte
zwi schen den gleitenden Teilen bewirkt wird. Eine Nebenwirkung besteht
darin, dass eine Leistung mit Null-Leckage ermöglicht wird.
-
Das
jeweilige elastische Element ist eine Metallmembran.
-
Gemäß der Erfindung
wird des Weiteren mit der Zumessvorrichtung eine Wärmekompensatoreinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung geschaffen.
-
Die
Erfindung wird sowohl in ihrer Konstruktion als auch in ihrer Funktionsweise
zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen derselben am besten
aus der folgenden Beschreibung bei der Lektüre derselben in Verbindung
mit den anliegenden Zeichnungen verständlich, in denen
-
1 ein
schematischer Axialquerschnitt einer Wärmekompensatoreinheit ist,
welche keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, und
-
2 ein
schematischer Axialquerschnitt einer Wärmekompensatoreinheit gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
-
1 zeigt
eine Wärmekompensatoreinheit mit
einer einstellbaren Steifigkeit, d.h. einem Einstellmechanismus
für die
Gleichgewichtsstellung, der auf einer Gleithülse beruht. Wie in 1 angedeutet
ist, umfasst ein Kompensatorgehäuse
ein oberes Kompensatorgehäuseteil 3 und
ein unteres Kompensatorgehäuseteil 2,
wobei das untere Kompensatorgehäuseteil 2 einen
verschieblichen Kolben 1a enthält, welcher sich in Axialrichtung
in dem zylindrischen unteren Kompensatorgehäuseteil 2 bewegen
kann. Das obere Kompensatorgehäuseteil 3 liegt über seine obere
Seite auf dem festen Endanschlag des Einspritzventils auf, während die
untere Endstange des Kolbens 1a mit der Aktoranordnung,
beispielsweise dem piezoelektrischen Aktor, in Kontakt steht. Die
untere Endstange des Kolbens 1a ist hermetisch mit einer
ersten Metallmembran 7a verbunden, welche den Boden der
ersten Fluidkammer 4 abdichtet, in welcher sich der Kolben 1a in
Axialrichtung bewegen kann. Auf der gegenüberliegenden Seite des unteren Kompensatorgehäuseteils 2,
d.h. der anderen Seite in Bezug auf die Seite, auf welcher der Kolben 1a und die
erste Metallmembran 7a angeordnet sind, ist eine zweite
Fluidkammer 5 ausgebildet, welche von einer zweiten Metallmembran 8 und
einem ersten Führungselement 10 abgedichtet
wird, welches ein erstes Ende einer Schraubenfeder 6 hält, d.h.
eine Aufnahme für
die Schraubenfeder 6 bereitstellt.
-
Das
andere Ende der Schraubenfeder 6 liegt gegen die Innenseite
des oberen Kompensatorgehäuseteils 3 an,
welches als Hülse
gebaut ist, welche das untere Kompensatorgehäuseteil 2 überlappt.
Die erste und die zweite Fluidkammer 4, 5 sind
durch ein Ventil 9a getrennt, welches von einer punktgeschweißten Metallplatte
mit einer Öffnung 9b gebildet wird,
um einen hohen Widerstand für
aus der ersten Fluidkammer 4 in die zweite Fluidkammer 5 laufendes
Fluid und einen niedrigen Widerstand für aus der zweiten Fluidkammer 5 in
die erste Fluidkammer 4 laufendes Fluid zu erzeugen. Das
Fluid, mit welchem beide Fluidkammern 4, 5 vollständig gefüllt sind,
und in welchen der Kolben 1a damit vollständig hervortritt, könnte Siliconoil
sein.
-
Im
Folgenden wird die Funktionsweise des Wärmekompensators beschrieben.
Wie erwähnt, steht
die obere Seite des oberen Kompensatorgehäuseteils 3, d.h. die
Hülse, mit
der Einlassarmatur des Einspritzventils in Kontakt, und die untere
Seite des Kolbens 1a steht mit der Aktoranordnung, d.h.
einem piezoelektrischen Aktor, in Kontakt. Das Ventil 9a,
welches als Scheibe ausgebildet sein könnte, ist durch zwei (oder
mehr) Punkte an dem Abschnitt des unteren Kompensatorgehäuseteils 2 angeschweißt, welcher
die erste und die zweite Fluidkammer 4, 5 voneinander
trennt und einen Fluidkanal zwischen diesen aufbaut. Das Ventil 9a weist
während
der Aktivierungsphase des Piezo-Stacks einen hohen hydraulischen
Widerstand auf und ermöglicht
auf Grund der Klappenwirkung dieser Metallscheibe 9a während der
nachfolgenden Deaktivierungsphase des Piezo-Stacks einen größeren Durchlauf
von Öl.
-
Diese
Wirkung ist gegeben, da der Kolben 1a während der Aktivierungsphase
des Piezo-Stacks von der piezoelektrischen Gruppe nach oben geschoben
wird, wobei durch diese Aktion das in der ersten Fluidkammer 4 enthaltene
Siliconöl
gezwungen wird, durch die Öffnung 9b in
der Scheibe 9a in die zweite Fluidkammer 5 zu
laufen. Dagegen kann während
der Deaktivierungsphase des Piezo-Stacks das in der zweiten Fluidkammer 5 enthaltene
Siliconöl
durch den Spalt, der zwischen der Fläche, an welcher das Ventil 9a punktangeschweißt ist,
und dem Ventil 9a erzeugt wird, auf Grund der Klappenwirkung der
das Ventil 9a bildenden Scheibe an Abschnitten, in welchen
dieses nicht an der Fläche
punktangeschweißt
ist, schnell zurück
in die erste Fluidkammer 4 fließen.
-
Die
relative Stellung des Kolbens 1a und des oberen Kompensatorgehäuseteils ändert sich
durch die Wärmedehnung.
Bei dieser verhältnismäßig langsamen
Bewegung fließt
die Hydraulikflüssgkeit
durch die Öffnung 9a,
der Kolben nimmt eine neue Gleichgewichtsstellung ein, und die Volumen
der Kammern 4 und 5 ändern sich demgemäß wie auch
die Verformung der Metallmembranen 7a, 8.
-
Bei
jeder Einspritzung ist die kontinuierliche Rückgewinnung der Stellung des
Kolbens 1a durch die Kraft der Feder 6 gewährleistet,
durch welche die zweite Fluidkammer 5 unter Druck gesetzt
wird, da diese zwischen dem ersten Führungselement 10 und dem
oberen Kompensatorgehäuseteil 3 gespannt wird.
-
Während des
Montagevorgangs kann diese Federkraft durch die Gleitbewegung zwischen
dem oberen Kompensatorgehäuseteil 3 und
dem unteren Kompensatorgehäuseteil 2 eingestellt
werden. Nach der Kalibrierung werden diese Gehäuseteile 2, 3 miteinander
verschweißt,
und die Vorbelastung oder Vorkomprimierung der Feder wird "eingefroren". Wie oben erwähnt, könnte das
obere Kompensatorgehäuseteil 3 alternativ
auf das untere Kompensatorgehäuseteil 2 aufgeschraubt
werden, und die Federkraft kann eingestellt werden, indem die Gehäuseteile
mehr oder weniger zusammengeschraubt werden. Durch Festlegen der
jeweiligen Stellung beider Gehäuseteile
kann dann die Vorbelastung der Feder eingefroren werden.
-
2 zeigt
einen Wärmekompensator
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Vorbelastung oder Vorkomprimierung
der Schraubenfeder mit einer Schraube einstellbar ist, welche das
zweite Ende der Schraubenfeder 6 führt, wobei die Schraube 11 in das
obere Kompensatorgehäuseteil 3 eingepasst
ist. Mit Ausnahme dieser Schraube 11 ähnelt der Wärmekompensator gemäß der beispielhaften
Ausfüh rungsform
ziemlich dem in 1 gezeigten Wärmekompensator
mit der weiteren Ausnahme, dass kein verschieblicher Kolben 1a,
der mit der Aktoranordnung in Kontakt kommt, sondern eine Platte 1b vorgesehen
ist, welche an eine Metallmembran 7b mit einer untertassenähnlichen
Form angeschweißt
ist, welche an das untere Kompensatorgehäuseteil 2 angeschweißt ist,
um die erste Fluidkammer 4 aufzubauen.
-
Die
Funktion ist mit derjenigen des in 1 gezeigten
Wärmekompensators
identisch, d.h. das Öl
kann nur durch die Öffnung 9b des
Ventils 9a fließen,
da durch den Öldruck
selbst, welcher plötzlich entsteht,
der durch die Seite der Scheibe führende Durchgang mit einem
metallischen Abdichtkontakt abgedichtet wird. Während der Deaktivierungsphase des
Piezo-Stacks kann das in der zweiten Fluidkammer 5 enthaltene Öl durch
den Spalt, der zwischen der unteren Seite des unteren Kompensatorgehäuseteils 2,
an welcher das Ventil punktangeschweißt ist, und der Scheibe des
Ventils 9b auf Grund der Klappenwirkung derselben schnell
wieder zurück
in die erste Fluidkammer 4 fließen. Die relative Stellung des
Kolbens 1b und des oberen Kompensatorgehäuseteils ändert sich
durch den Wärmeausgleich.
Bei dieser verhältnismäßig langsamen
Bewegung fließt die
Hydraulikflüssigkeit
durch die Öffnung 9a,
der Kolben nimmt eine neue Gleichgewichtsstellung ein, und die Volumen
der Kammern 4 und 5 ändern sich demgemäß wie auch
die Verformung der Metallmembranen 7a, 8. Bei
dieser Ausführungsform
ist die kontinuierliche Rückgewinnung
der Stellung der Platte 1b durch die Kraft der Feder 6 gewährleistet,
die zwischen der ersten Führung 10 und
der Schraube 11 gespannt wird, die eine zweite Führung bildet.
Die Feder 6 hält
das Öl
unter Druck, so dass das Öl
nach jeder Einspritzung zurückfließt, um das 'Druckgleichgewicht
zwischen den Fluidkammern wieder herzustellen, d.h. so dass in der
Gleichgewichtsstellung, welche durch die Vorkomprimierung der Feder
definiert ist, die mit der Schraube 11 eingestellt werden könnte und
auf Grund der Verwendung elastischer Elemente wie den gezeigten
Metallmembranen bei allen Temperaturen konstant ist, variable Volumen der
ersten und der zweiten Fluidkammern 4, 5 vorhanden
sind. Wie oben erwähnt,
kann die Federkraft während
des Montagevorgangs eingestellt werden, indem die Schraube mehr
oder weniger in das obere Kompensatorgehäuseteil 3 eingedreht
wird.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Abdichtung, welche bis zu einem Null-Leckagebereich,
gehen kann, zusammen mit einer Beseitigung von Reibungskräften zwischen
den gleitenden Teilen und der Möglichkeit
erzielt, die Vorbelastungskraft während der Montage- und Kalibrierungsphase
zu kalibrieren, ohne die Höhe
der Hydraulik- und Speicherkammer zu verändern, d.h. ohne ein anderes
Teil als die Einstellschraube und/oder das gleitende obere Kompensatorgehäuseteil 3 zu
bewegen.
-
Damit
ist eine Wärmekompensatoreinheit
offenbart, mit welcher eine Gleichgewichtsstellung genau eingestellt
und gehalten werden kann, indem an einer der zwei Fluidkammern eine
einstellbare Vorkomprimierung vorgesehen wird. Des weiteren umfassen
die Fluidkammern jeweils mindestens ein elastisches Element, so
dass das jeweilige Volumen variabel ist, wobei die elastischen Elemente
die Fluidkammern hermetisch abdichten, was zu der Wir kung führt, dass
in einem hydraulischen Kompensator keine dynamische Dichtung aus
Kunststoff oder Gummi zwischen den gleitenden Teilen notwendig ist,
insbesondere da die sich bewegenden Teile des hydraulischen Kompensators
vorzugsweise hermetisch mit dem jeweiligen elastischen Element verbunden
sind und/oder einen Teil derselben bilden.
-
Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen und in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale können
die Ausführung
der Erfindung ermöglichen
und auch in jeder möglichen
Kombination dazu wichtig sein.