Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von
Flüssigkeiten gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1
näher definierten Art.
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Derartige Ventile werden in der Praxis insbesondere in
Verbindung mit Common-Rail-Einspritzsystemen für
Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt, wobei diese zum Einleiten bzw.
Durchführen eines Einspritzvorganges eine piezoelektrische
Aktor-Einheit aufweisen, mittels der beim Einspritzen von
Kraftstoff in einen Brennraum eine Ventilglied-Anordnung
betätigt wird. Über die Ventilglied-Anordnung wird ein auf
der der piezoelektrischen Aktor-Einheit abgewandten Seite
der Ventilglied-Anordnung angeordnetes Ventilschließglied
angesteuert.
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Während des Einspritzvorganges wird das Ventilschließglied
von einem korrespondierenden Ventilsitz abgehoben, so daß
in einem Ventilsteuerraum Druckverhältnisse vorliegen,
welche zu einem Abheben einer in einem Düsenkörper axial
geführten Düsennadel von einem korrespondierenden Sitz führt.
Mit Abheben der Düsennadel von ihrem Sitz werden
Einspritzöffnungen des Düsenkörpers, welche in einen Brennraum
z. B. einer Dieselbrennkraftmaschine führen, freigegeben,
und unter Rail-Druck stehender Kraftstoff wird in den
Brennraum eingespritzt.
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Die Ventilglied-Anordnung weist einen ersten Kolben, einen
sogenannten Stellkolben, und einen zweiten Kolben, einen
sogenannten Betätigungskolben, auf, zwischen welchen eine
hydraulische Übersetzungseinrichtung angeordnet ist. Über
diesen hydraulischen Koppler können auch axiale
Längenunterschiede, die durch Temperaturunterschiede verursacht
werden, ausgeglichen werden.
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Das Ventilschließglied kann einen ersten
kugelabschnittförmigen Bereich aufweisen, welcher an seiner Oberseite
abgeflacht ausgebildet ist. An den kugelförmigen Bereich kann
sich dabei in Richtung des Ventilsteuerraumes ein
zylindrischer Fortsatz anschließen, um welchen eine Federscheibe
angeordnet ist. Der abgeflachte Stirnbereich des
Kugelabschnittbereiches ist hier dazu vorgesehen, um eine
Flächenpressung zwischen dem Betätigungskolben der Ventilglied-
Anordnung und dem Ventilschließglied zu reduzieren.
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Nachteilig dabei ist jedoch, daß die Herstellung des
beschriebenen Ventilschließgliedes sehr aufwendig und damit
teuer ist. Darüber hinaus ist von Nachteil, daß das
Ventilschließglied während der Montage auf einem Werkstückträger
gerichtet zugeführt werden muß, was einen zusätzlichen
apparativen und zeitlichen Aufwand verursacht.
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Vorteile der Erfindung
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Ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer
insbesondere piezoelektrischen Aktor-Einheit zur Betätigung
einer Ventilglied-Anordnung mit den Merkmalen nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1, wobei die Ventilglied-
Anordnung eine dem Ventilschließglied zugewandte
Stirnfläche aufweist, die wenigstens bereichsweise derart konkav
ausgebildet ist, daß ein kugelförmiges Ventilschließglied
ohne abgeflachten Bereich einsetzbar ist, weist den Vorteil
auf, daß die Fertigungskosten und die Montagekosten für das
Ventil deutlich reduziert werden können, da ein in der
Praxis aufwendig ausgeführten Ventilschließgliedes durch ein
als Normkugel ausgeführtes Ventilschließglied ersetzt
werden kann.
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Unter einer "Normkugel" ist dabei vorliegend ein
Standardbauteil zu verstehen, das kommerziell erhältlich ist und
ohne Nachbearbeitung während einer Montage des Ventiles als
Ventilschließglied verbaut wird.
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Weiterhin ist von Vorteil, daß aufgrund der im Querschnitt
wenigstens bereichsweise konkaven Ausgestaltung der
Stirnfläche der Ventilglied-Anordnung beim Betätigen des
Ventilschließgliedes die Flächenpressung derart herabgesetzt
wird, daß eine Verformung des Ventilschließgliedes bei
dessen Betätigung durch die Ventilglied-Anordnung unterbleibt
und ein Öffnungshub des Ventilschließgliedes nicht
reduziert wird.
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Zusätzlich weist das kugelförmig ausgebildete
Ventilschließglied während der Montage des Ventiles den Vorteil
auf, daß das Erfordernis eines gerichteten Zuführens eines
Ventilschließgliedes bei der Montage entfällt, da die Kugel
in jeder beliebigen Lage in dem Ventil im Bereich des dem
Ventilschließglied zugeordneten Ventilsitzes verbaut werden
kann.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des
Gegenstandes nach der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen.
Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel des Ventiles nach der Erfindung ist
in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und
wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen
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Fig. 1 einen stark schematisierten Längsschnitt durch ein
Einspritzventil,
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Fig. 2 eine Seitenansicht eines in der Praxis verwendeten
Ventilschließgliedes,
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Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines in der Fig. 1
unter III näher bezeichneten, erfindungsgemäß gestalteten
Bereiches des Ventilschließgliedes,
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Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Federscheibe, und
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Fig. 5 die Federscheibe gemäß der Fig. 4 in einem
Schnitt entlang der Linie V-V aus Fig. 4.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In der Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines als
Kraftstoffeinspritzventil 1 ausgebildeten Ventiles zum Einbau in eine
nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeuges gezeigt, das vorliegend als Common-Rail-Injektor
zur Einspritzung von vorzugsweise Dieselkraftstoff
ausgebildet ist.
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Das Kraftstoffeinspritzventil 1 umfaßt als wesentliche
Baueinheiten ein Ventilsteuermodul 2 und ein nicht näher
dargestelltes Düsenmodul, welches in an sich bekannter Weise
gestaltet ist und dessen Aufbau nachfolgend kurz
beschrieben ist.
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In einem Düsenkörper des Düsenmodules ist üblicherweise ein
Ventilsteuerkolben in axialer Richtung beweglich geführt,
der mit einer Düsennadel, welche eine zu dem Brennraum der
Brennkraftmaschine führende Öffnung des
Kraftstoffeinspritzventiles steuert, in Wirkverbindung steht oder mit
dieser eine Baueinheit bildet. An die freie Stirnseite des
Ventilsteuerkolbens grenzt ein sogenannter
Ventilsteuerraum. Über das in dem Ventilsteuerraum herrschende
Druckniveau wird die Lage des Ventilsteuerkolbens bzw. der
Düsennadel eingestellt. Der Ventilsteuerraum steht hierzu über
eine Hochdruckzuführleitung mit einem für mehrere
Einspritzventile gemeinsam vorgesehenen Hochdruckspeicher,
einem sogenannten Common-Rail, in Verbindung. Der in der
Hochdruckzuführleitung geführte Kraftstoff kann dabei unter
einem Druck von bis zu 1,5 kbar stehen.
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Über das Ventilsteuermodul 2 ist ein Einspritzbeginn, eine
Einspritzdauer und eine Einspritzmenge an Dieselkraftstoff
in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einstellbar,
wobei der Ventilsteuerraum über eine sogenannte Ablaufbohrung
bzw. Bypass-Bohrung 3 mit dem Ventilsteuermodul 2 in
Verbindung steht.
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Für eine Ansteuerung umfaßt das Ventilsteuermodul 2 eine
piezoelektrische Aktor-Einheit 4, welche auf der dem
Brennraum der Brennkraftmaschine abgewandten Seite des
Kraftstoffeinspritzventiles 1 angeordnet ist und zur Betätigung
einer Ventilglied-Anordnung 5 dient. Eine piezoelektrische
Keramik der piezoelektrischen Aktor-Einheit 4 ist in an
sich bekannter Weise aus mehreren Schichten aufgebaut und
stützt sich mit einem Ende an einer Wand eines
Ventilkörpers 6 ab. Auf seiner der Ventilglied-Anordnung 5
zugewandten Seite steht die Keramik über einen Aktorkopf 7 mit
einem ersten Kolben 8 der Ventilglied-Anordnung 5 in
Wirkverbindung, wobei die piezoelektrische Aktor-Einheit 4 und die
Ventilglied-Anordnung 5 in axialer Richtung des
Ventilsteuermoduls 2 hintereinander angeordnet sind.
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Die Ventilglied-Anordnung 5 weist neben dem ersten Kolben 8
einen weiteren, ebenfalls in dem Ventilkörper 6 geführten
zweiten Kolben 9 auf. Der erste Kolben 8 wird auch als
Stellkolben oder erster Übersetzungskolben bezeichnet und
der zweite Kolben 9 stellt den sogenannten
Betätigungskolben oder zweiten Übersetzungskolben des
Kraftstoffeinspritzventiles 1 dar, wobei der zweite Kolben 9 zur
direkten Betätigung eines Ventilschließgliedes 10 vorgesehen
ist. Zwischen den Kolben 8, 9, von denen der erste Kolben 8
einen größeren Durchmesser als der zweite Kolben 9
aufweist, ist eine als hydraulische Übersetzung wirkende
Hydraulikkammer 11 angeordnet, so daß eine axiale Auslenkung
des ersten Kolbens 8 infolge einer Spannungsbeaufschlagung
der piezoelektrischen Aktor-Einheit 4 über die
Hydraulikkammer 11 auf den zweiten Kolben 9 übertragen wird, welcher
einen um das Übersetzungsverhältnis der Kolbendurchmesser
der beiden Kolben 8, 9 vergrößerten Hub macht.
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An dem Ventilkörper 6 ist ein Ventilsitz 12 ausgebildet,
welcher mit dem Ventilschließglied 10 zusammenwirkt, wobei
der Ventilsitz 12 hier als ein Kugelsitz für das als
Normkugel ausgebildete Ventilschließglied 10 ausgestaltet ist.
In Schließstellung des Kraftstoffeinspritzventiles 1 liegt
das Ventilschließglied 10 an dem Ventilsitz 12 an, wobei
hierzu die piezoelektrische Aktor-Einheit 4 spannungslos
bzw. unbetätigt ist und ein Hochdruckbereich 13 von einem
an den Ventilsitz 12 angrenzenden Systemdruckbereich 14
getrennt ist. In dem Hochdruckbereich 13 können
Betriebsdrücke bis zu ca. 1,5 kbar vorliegen, welche den Systemdruck
des Systemdruckbereiches 14, der im allgemeinen zwischen
2 bar und 50 bar, vorzugsweise in einem Bereich zwischen
20 bar und 30 bar liegt, um ein Vielfaches übersteigen.
Dieser Druckunterschied führt zu einem sicheren
Verschließen des Ventilsitzes 12 durch das Ventilschließglied 10 bei
nicht betätigter piezoelektrischer Aktor-Einheit 4.
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Damit das Ventilschließglied 10 auch bei fehlender
Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckbereich 13 und dem
Systemdruckbereich 14 sowie bei unbetätigter piezoelektrischer
Aktor-Einheit 4 an dem Ventilsitz 12 anliegt, ist auf der
der Ventilglied-Anordnung 5 abgewandten Seite des
Ventilschließgliedes 10 eine Federscheibe 15 vorgesehen, welche
das Ventilschließglied 10 gegen den Ventilsitz 12 drückt.
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Fig. 2 zeigt ein in der Praxis eingesetztes
Ventilschließelement 16. Anhand der Darstellung gemäß Fig. 2 wird die
aufwendige und kostenintensive Gestaltung eines in der
Praxis eingesetzten Ventilschließgliedes gegenüber dem bei der
Erfindung einsetzbaren, als Normkugel ausgebildeten
Ventilschließglied 10 gemäß Fig. 1 deutlich. Das bekannte
Ventilschließelement 16 weist einen ersten
kugelabschnittförmigen Bereich 17 auf, der mit dem Ventilsitz 12
korrespondiert. Der kugelabschnittförmige Bereich 17 des
Ventilschließelementes 16 ist an seiner der Ventilglied-Anordnung
5 zugewandten Seite abgeflacht ausgebildet und an seinem
dem abgeflachten Bereich gegenüberliegenden Ende mit einem
zylindrischen Fortsatz ausgebildet, der zur Führung eines
Federelementes vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung ist nur
mit sehr großem fertigungstechnischen Aufwand herzustellen,
da die Abmessungen des Ventilschließelementes 16 sehr
gering sind und die Anforderungen an die Maßhaltigkeit des
Ventilschließelementes 16 sehr hoch sind, um eine
einwandfreie Funktionsweise eines mit einem derartigen
Ventilschließelement versehenen Kraftstoffeinspritzventiles
gewährleisten zu können.
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Ein in Fig. 1 unter III näher bezeichneter Bereich ist in
vergrößerter Darstellung in Fig. 3 gezeigt, wobei das als
Normkugel ausgebildete Ventilschließglied 10 an den
Ventilsitz 12 über die Federscheibe 15 gedrückt ist und die
Bypass-Bohrung 3 von der Federscheibe 15 freigegeben ist. Im
Falle einer Betätigung der piezoelektrischen Aktor-Einheit
4 wird die Ventilkolbenanordnung 5 in Richtung des
Ventilschließgliedes 10 bewegt, wodurch das Ventilschließglied 10
von seinem Ventilsitz 12 abhebt. Der Ventilsitz 12 ist in
einer Ventilplatte 21 ausgebildet, an welche sich eine
Drosselplatte 22, in der die Ablaufbohrung 3 eingebracht
ist, anschließt.
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Beim Abheben des Ventilschließgliedes 10 von dem Ventilsitz
12 wird die Federscheibe in Richtung der Ablaufbohrung 3
bewegt, bis die Ablauf- bzw. Bypass-Bohrung 3 von einem
mittleren Bereich 19 der Federscheibe 15 bedeckt und
verschlossen ist. Ein dem Ventilschließglied 10 zugewandter
und in Fig. 3 schraffiert dargestellter Endbereich des
Betätigungskolbens 9 ist an seiner Stirnfläche 20 im
Querschnitt konkav ausgebildet, so daß eine Flächenpressung
zwischen dem Betätigungskolben 9 und dem Ventilschließglied
10 reduziert ist.
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Alternativ zu der einstückigen Ausgestaltung des
Betätigungskolbens 9 mit dem Endbereich zur Ansteuerung des
Ventilschließgliedes 10 kann es vorgesehen sein, den
Endbereich als separates Zwischenbauteil auszubilden, wobei die
wenigstens bereichsweise konkav ausgebildete Stirnseite an
dem dem Ventilschließglied 10 zugewandten Ende des
Zwischenteiles ausgebildet ist.
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Durch die getrennte Bauweise des Betätigungskolbens 9 und
des Zwischenbauteiles kann ein Axialversatz des
Betätigungskolbens 9 gegenüber dem Ventilschließglied 10
ausgeglichen werden. Damit besteht die Möglichkeit, durch einen
Axialversatz auf das Ventilschließglied 10 einwirkende
Querkräfte zu vermeiden. Der Axialversatz kann
beispielsweise während der Fertigung der Führung des
Betätigungskolbens 9 und des Ventilsitzes 12 entstehen. Das Auftreten der
Querkräfte wird durch einen Querversatz des
Zwischenbauteiles gegenüber dem Betätigungskolben 9 ausgeglichen, und das
Ventilschließglied 10 ist mit dieser Ausgestaltung exakt in
der dafür vorgesehenen konkaven Aussparung der Stirnfläche
bzw. Stirnseite 20 angeordnet.
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Die Federscheibe 15 stellt dabei eine Art "zweiter
Ventilsitz" bzw. einen Anschlag für das Ventilschließglied 10
während eines Einspritzvorganges dar, wobei über die Dicke
der Federscheibe ein maximaler Hub des Ventilschließgliedes
10 auf einfache Art und Weise einstellbar ist.
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Fig. 4 zeigt die Federscheibe 15 in Alleinstellung in
einer Draufsicht. Die Federscheibe 15 ist mit mehreren
Öffnungen 23 versehen, wobei die gesamte freie
Querschnittsfläche der Öffnungen 23 der Federscheibe 15 derart
vorgesehen ist, daß eine Durchflußmenge bei geöffnetem Ventilsitz
12 von der Federscheibe 15 nicht beeinträchtigt wird. Fig.
5 zeigt die Federscheibe 15 in einem Querschnitt entlang
der Linie V-V gemäß Fig. 4, wobei die leicht angewinkelte
Form der Federscheibe 15 näher dargestellt ist.
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Die Federscheibe 15 ist vorliegend rund ausgebildet, wobei
deren Durchmesser dem Durchmesser des Raumes des
Hochdruckbereiches 13 angepaßt ist, in dem das Ventilschließglied 10
angeordnet ist. Damit ergibt sich eine besonders einfache
Montage der Federscheibe 15. Selbstverständlich liegt es im
Ermessen des Fachmannes, die Federscheibe gegebenenfalls
mit einer anderen äußeren Kontur zu versehen, z. B. dann,
wenn der für die Federscheibe 15 vorgesehene Einbauraum des
Einspritzventiles 1 beispielsweise einen rechteckigen
Grundquerschnitt aufweist.