-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einem Injektor für ein Einspritzsystem einer
Brennkraftmaschine mit einer Düsennadel
und einem Steuerventil, wie es beispielsweise aus der
DE 10 2004 058 184.3 bekannt ist.
-
Bei
diesem Injektor ist das Steuerventil als 3/2-Ventil ausgebildet.
Dadurch wird eine genauere Zumessung der Einspritzmengen, insbesondere
im niedrigen Teillastbereich oder im Leerlauf, erreicht. Da 3/2-Ventile
in der Regel viele Ventilkammern und Zuleitungen aufweisen, ergeben
sich im Inneren der Ventilkörper
dieser Ventile Geometrien mit vielen Verschneidungen von Bohrungen
und Kammern oder Ringräumen.
Da die Ventilkörper
im Inneren mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt
werden, entstehen an den Verschneidungen Spannungsspitzen, welche
die Hochdruckfestigkeit verringern. Um die Hochdruckfestigkeit im
Bereich dieser Verschneidungen anzuheben, sind bislang aufwändige und
teure Formgebungs- und
Verrundungsprozesse, wie beispielsweise hydroerosives Verrunden,
welches auch als "electrochemical
machining" bezeichnet
wird, notwendig.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil zur Steuerung
eines Common-Rail-Injektor
bereitzustellen, dessen Herstellung deutlich vereinfacht und damit
kostengünstiger
gehalten werden kann. Außerdem
soll die Hochdruckfestigkeit verbessert werden.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
Injektor für
ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, einer Düsennadel
und mit einem Steuerventil, wobei das Steuerventil einen Ventilkörper und einen
Ventilkolben umfasst, wobei das Steuerventil in einer ersten Schaltstellung
eine hydraulische Verbindung zwischen einem Steuerraum und einem
Hochdruckraum freigibt, und wobei das Steuerventil in einer zweiten
Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum
und einem Kraftstoffrücklauf,
dadurch gelöst,
dass die Bereiche des Ventilkörpers,
die im Inneren mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagbar
sind, auch außen
mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagbar sind.
-
Vorteilhafte Wirkungen.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Steuerventil werden
die durch die Beaufschlagung des Ventilkörpers im Innenraum mit dem
unter dem Raildruck stehenden Kraftstoff verursachten (Zug)-Spannungen dadurch
ganz oder teilweise dadurch kompensiert, dass der Ventilkörper mindestens
in dem mit Innendruck beaufschlagten Bereich auch außen mit
dem unter Raildruck stehenden Kraftstoff beauftragt wird.
-
Durch
die Beaufschlagung des Ventilkörpers von
außen
mit unter Raildruck stehendem Kraftstoff, werden Druckspannungen
in den Ventilkörper
eingebracht, welche die aus dem Innendruck resultierenden Zugspannungen,
insbesondere in den Verschneidungsbereichen, ganz oder teilweise
kompensieren. Dadurch wird die Hochdruckfestigkeit des erfindungsgemäßen Steuerventils
deutlich erhöht, ohne
dass die Verschneidungen aufwändig
nachbearbeitet und/oder verrundet werden müssten. Im Ergebnis ergibt sich
dadurch nicht nur eine verbesserte Hochdruckfestigkeit, sondern
die Herstellungskosten können
drastisch reduziert werden.
-
Besonders
vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Ausgestaltung,
ist dass die Kompensation der in den Verschneidungsbereichen auftretenden Zugspannungen
nahezu unabhängig
vom Druckniveau sind, da sich die durch den Innendruck und den gleich
hohen Außendruck verursachten
Spannungen gegenseitig ganz oder teilweise aufheben.
-
Um
die erfindungsgemäß beanspruchte
Beaufschlagung des Ventilkörpers
von außen
mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff zu gewährleisten, hat es sich als
einfach und vorteilhaft erwiesen, wenn der Ventilkörper in
einem Hochdruckraum angeordnet ist.
-
Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Ventilkolben
und/oder in dem Ventilkörper
ein erster Ringraum ausgebildet. Des Weiteren ist in dem Ventilkolben
und/oder in dem Ventilkörper
ein zweiter Ringraum ausgebildet, wobei zwischen erstem Ringraum
und zweitem Ringraum ein mit dem Ventilkörper zusammenwirkender ersten Ventilsitz
ausgebildet ist.
-
Zusätzlich ist
vorgesehen, dass der Ventilkolben eine Durchgangsbohrung aufweist,
dass der Ventilkolben an einem dem Steuerraum zugewandten Ende eine
die Durchgangsbohrung umschließende
Dichtkante aufweist und dass an dem Steuerraumkörper ein mit der Dichtkante
zusammenwirkenden Flachsitz ausgebildet ist.
-
Diese
Ausgestaltungen ermöglichen
eine einfache und leicht zu montierende Konstruktion des erfindungsgemäßen Steuerventils
und des gesamten Injektors.
-
Es
hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Hochdruckanschluss,
der einenends mit dem Common-Rail in Verbindung steht, anderenends mit
dem ersten Ringraum hydraulisch in Verbindung steht.
-
Des
Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Steuerraum
mit dem zweiten Ringraum hydraulisch in Verbindung steht. Selbstverständlich kann
zwischen Steuerraum und zweitem Ringraum die Ablaufdrossel vorgesehen
sein.
-
Der
Steuerkolben, welcher einenends den Steuerraum begrenzt, kann entweder
als separates Bauteil ausgeführt
werden und in diesem Fall anderenends auf die Düsennadel aufgesetzt werden.
Alternativ ist es auch möglich,
Steuerkolben und Düsennadel
einstückig
auszuführen.
-
Um
die Düsennadel
bei drucklosem Injektor sicher in ihre Schließstellung zu bringen, ist weiter vorgesehen,
zwischen dem Steuerkolben und dem Steuerraumkörper eine Druckfeder vorzusehen.
Diese Druckfeder sorgt gleichzeitig dafür, dass Steuerraumkörper und
Ventilkörper
gegen den Injektorkörper
gepresst werden.
-
Um
Fluchtungsfehler zwischen Steuerraum und Düsennadelsitz ausgleichen zu
können,
kann erfindungsgemäß vorgesehen
sein, den Querschnitt des Steuerkolbens und/oder der Düsennadel
bereichsweise zu verringern, so dass die Biegesteifigkeit des Steuerkolben
und/oder der Düsennadel
lokal verringert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen,
dass der Querschnitt des Steuerkolbens und/oder der Düsennadel
bereichsweise rechteckig ist, wobei eine Länge des rechteckigen Querschnitts vorteilhafterweise
dem Durchmesser des Steuerkolbens beziehungsweise der Düsennadel
entspricht, und wobei eine Breite des rechteckigen Querschnitts wesentlich
geringer, bevorzugt um einen Faktor kleiner 0,3, kleiner als der
Durchmesser des Steuerkolbens oder der Düsennadel ist.
-
Wenn
zwei Bereiche mit rechteckigem Querschnitt unmittelbar benachbart
und in einem Winkel von 90° zueinander
angeordnet werden, wirken diese beiden Bereiche wie ein Kardangelenk
und ermöglichen
somit den Ausgleich von Fluchtungsfehlern zwischen Steuerraum und
Düsennadelsitz.
-
Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden
Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle
in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen
Merkmale können sowohl
einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
-
Zeichnungen
-
Es
zeigen:
-
1 die
schematische Darstellung eines Common-Rail-Einspritzsystems;
-
2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Injektors;
-
3 ein
Detail aus 2 mit einem Sitz/Sitz-Steuerventil
und
-
4 ein
Detail aus 2 mit einem Sitz/Schieber-Steuerventil.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In 1 ist
ein Common-Rail-Einspritzsystem schematisch dargestellt. Aus einem
Kraftstofftank 1 wird Kraftstoff mit Hilfe einer Pumpeinheit 2 in einen
Kraftstoffhochdruckspeicher 3 gefördert und mit Hochdruck beaufschlagt.
Der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff wird dann bedarfsabhängig den
einzelnen Zylindern der zu versorgenden Brennkraftmaschine zugeteilt.
Die Einspritzung des mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoffs erfolgt
durch Injektoren 4, 5, 6 und 7.
In 1 ist aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nur der Injektor 7 dargestellt.
-
Der
Injektor 7 ist über
einen Hochdruckanschluss 11 mit dem Common-Rail 3 verbunden.
Des Weiteren ist der Injektor 7 über einen Kraftstoffrücklauf 13,
der nahezu drucklos ist, mit dem Tank 1 hydraulisch verbunden.
Der Injektor 7 wird nachfolgend anhand der 2 und 3 näher erläutert.
-
Der
Injektor 7 umfasst ein Gehäuse 15, in dem eine
Düsennadel 17 geführt ist.
An dem brennraumfernen Ende des Injektors 7 sind ein erfindungsgemäßes Steuerventil 19 und
ein elektromagnetischer Aktuator 21 angeordnet.
-
Unterhalb
des Steuerventils 19 ist ein Steuerraum 23 in
einem Steuerraumkörper 25 ausgebildet.
Der Steuerraum 23 wird von einem Steuerkolben 27 begrenzt.
-
Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist
der Steuerkolben 27 mit der Düsennadel 17 durch eine
Schweißnaht 29 verbunden.
Selbstverständlich besteht
auch die Möglichkeit,
Steuerkolben 27 und Düsennadel 17 einstückig auszubilden.
-
Um
Fluchtungsfehler zwischen dem Steuerraum 23 und der Düsennadel 17 auszugleichen,
ist der Querschnitt des Steuerkolbens 27 bereichsweise verringert.
Diese Verringerung des Querschnitts erfolgt bei dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
durch zwei Nuten 31 und 33, wobei die Nuten 31 und 33 um
einen Winkel von 90° zueinander
versetzt angeordnet sind.
-
Die
Nuten 31 und 33 bewirken eine Reduktion der Biegesteifigkeit
des Steuerkolben 27 und wirken ähnlich wie ein Kardangelenk.
In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind in den Bereichen unterhalb des Steuerraumkörpers 25 und oberhalb
der Düsennadel 17 zwei
Paare von Nuten 31 und 37 im Steuerkolben 27 vorhanden.
-
Durch
das Zusammenwirken der beiden durch die Nuten 31 und 33 gebildeten "Kardangelenke" können Fluchtungsfehler
zwischen Steuerraum 23 und Düsennadel 17 besonders
gut ausgeglichen werden.
-
In
den 3 und 4 werden Details erfindungsgemäßer Steuerventile
stark vergrößert dargestellt.
-
Bei
dem in 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind der Steuerraumkörper 25 und ein
Ventilkörper 35 des
Steuerventils 19 als separate Bauteile ausgebildet. Sowohl
der Steuerraumkörper 25 als
auch der Teil des Ventilkörpers 35,
der mit hohem Innendruck beaufschlagt wird, befinden sich in einem
Hochdruckraum 37 des Injektors 7.
-
Das
der Hochdruckanschluss 11, welcher direkt mit dem Common-Rail 3 hydraulisch
in Verbindung steht, in den Hochdruckraum 37 mündet, herrscht
in dem Hochdruckraum 37 der gleiche Druck wie im Common-Rail 3.
-
Der
Steuerraumkörper 25 wird über eine Schließfeder 39 gegen
den Ventilkörper 35 gepresst. Der
Ventilkörper 35 wiederum
wird ebenfalls durch die Schließfeder 39 gegen
einen Absatz 41 des Injektorgehäuses 15 gepresst.
Die Schließfeder 39 dient weiter
dazu, die Düsennadel 17 gegen
einen Düsennadelsitz
(ohne Bezugszeichen) zu pressen, wenn der Injektor drucklos ist.
-
Der
in 3 oberhalb des Absatzes 41 befindliche
Teil des Ventilkörpers 35 dient
der Führung eines
Ventilkolbens 43 und wird nicht mit dem Raildruck beaufschlagt.
-
In
dem Ventilkörper 35 und
dem Ventilkolben 43 ist ein erster Ringraum 45 ausgebildet.
Dieser erste Ringraum 45 steht über eine Querbohrung 47 hydraulisch
mit dem Hochdruckraum 30 in Verbindung. Deshalb werden
die in 3 unterhalb des Absatzes 41 angeordneten
Bereiche des Ventilkörpers 35 im Inneren
mit unter Raildruck stehenden Kraftstoff beaufschlagt.
-
Unterhalb
eines Ventilsitzes 49, welcher in dem Ventilkörper 35 ausgebildet
ist, ist ein zweiter Ringraum 51 ausgebildet.
-
Der
Steuerraum 23 und der Hochdruckraum 37 sind über eine
Zulaufdrossel 53 miteinander verbunden. Der Steuerraum 23 und
der zweite Ringraum 51 sind über eine Ablaufdrossel 55 hydraulisch
miteinander verbunden.
-
Der
Ventilkolben 43 weist eine Durchgangsbohrung 57 auf,
die mit dem Kraftstoffrücklauf 13 (siehe 2 hydraulisch
in Verbindung steht).
-
Eine
Stirnseite des Steuerraumkörpers 25 ist als
Flachsitz ausgebildet. Dieser Flachsitz wirkt mit einer an dem dem
Ventilkörper 25 zugewandten Ende
des Ventilkolbens 43 angeordneten Dichtkante 59 zusammen.
Oberhalb dieser Dichtkante 59 ist ein Dichtkegel 61 ausgebildet,
der mit dem Ventilsitz 49 zusammenwirkt.
-
Der
Ventilkolben 43 ist mit einer Ankerplatte 61 des
elektromagnetischen Aktuators 21 verbunden.
-
Der
erfindungsgemäße Injektor 7 arbeitet wie
folgt:
In der in 3 dargestellten ersten Schaltstellung
ist der Aktuator 21 nicht bestromt, so dass eine Druckfeder 63,
welche auf die Ankerplatte 61 und damit auch auf den Ventilkolben 43 wirkt,
die Dichtkante 59 des Ventilkolbens 43 gegen den
Steuerraumkörper 25 presst.
Dadurch hebt der Ventilkegel 60 von dem Ventilsitz 49 ab
und es wird eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum 23 über die
Ablaufdrossel 55, den zweiten Ringraum 51, den
ersten Ringraum 45 und die Querbohrung 47 mit
dem Hochdruckraum 37 hergestellt. Infolgedessen herrscht
im Steuerraum 23 Raildruck und die Düsennadel 17 ist geschlossen.
-
Sobald
ein Elektromagnet 65 des elektrischen Aktuators bestromt
wird, wird die Ankerplatte 61 in 3 nach oben
gezogen, so dass der Ventilkegel 60 des Ventilkörpers 43 in
Anlage an den Ventilsitz 49 gelangt und somit die hydraulische
Verbindung zwischen erstem Ringraum 45 und zweitem Ringraum 51 geschlossen
wird. Gleichzeitig hebt durch die Steuerbewegung des Ventilkolbens 43 die Dichtkante 59 von
der Stirnseite des Steuerraumkörpers 25 ab,
so dass eine hydraulische Verbindung zwischen Steuerraum 23 und
dem Kraftstoffrücklauf über die
Ablaufdrossel 55 und die Durchgangsbohrung 57 des
Ventilkörpers 43 hergestellt
wird.
-
Da
die Ablaufdrossel 55 einen geringeren Strömungswiderstand
als die Zulaufdrossel 53 hat, sinkt in dieser zweiten Schaltstellung
des Steuerventils 8 der Druck im Steuerraum ab und infolgedessen hebt
die Düsennadel 17 von
ihrem Düsennadelsitz (ohne
Bezugszeichen in 2) ab und es wird Kraftstoff
in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt.
-
Wenn
die Einspritzung beendet werden soll, wird der Elektromagnet 65 stromlos
geschaltet. Infolgedessen bewegt sich der Ventilkolben 43 in 3 nach
unten, bis die Dichtkante 59 auf der Stirnseite des Steuerraumkörpers 25 aufliegt.
Dadurch wird die hydraulische Verbindung zwischen erstem Ringraum 45 und
zweitem Ringraum 51 wieder hergestellt und es kann sowohl über die
Ablaufdrossel 55 als auch über die Ablaufdrossel 53 unter
hohem Druck stehender Kraftstoff in den Steuerraum 23 einströmen. Infolgedessen
wird die Düsennadel 17 wieder
gegen ihren Düsennadelsitz
gepresst.
-
Wie
sich aus der vorangehenden Beschreibung der Funktion des Steuerventils
ergeben hat, ist der erste Ringraum 45 permanent mit unter
Raildruck stehendem Kraftstoff beaufschlagt. Dies gilt während der
Zeiten, in denen kein Brennstoff eingespritzt werden soll, auch
für den
zweiten Ringraum 51.
-
Auch
die Querbohrung 47 ist permanent mit dem unter Raildruck
stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Durch diese Druckbeanspruchungen
im Inneren des Ventilkörpers 35 ergeben
sich insbesondere in den Verschneidungsbereichen zwischen der Querbohrung 47 und
dem ersten Ringraum 45 sowie an den Durchmesseränderungen
am Ventilsitz 49 erhebliche mechanische Spannungen, insbesondere Zugspannungen,
in dem Ventilkörper 35.
-
Alle
innerhalb des Ventilkörpers 35 mit
Raildruck beaufschlagten Bereiche (Querbohrung 47, erster
Ringraum 45, zweiter Ringraum 51) befinden sich
unterhalb des Absatzes 41. Da der unterhalb des Absatzes
befindliche Teil des Ventilkörpers 35 in
dem Hochdruckraum 37 angeordnet ist, wird dieser Teil des
Ventilkörpers 35 auch
von außen
mit unter Raildruck stehendem Kraftstoff beaufschlagt. Dadurch ergeben
sich Druckeigenspannungen, die nach dem Superpositionsprinzip zur
Reduktion der in den Innenbereichen des Ventilkörpers vorhandenen Zugspannungen
beitragen oder diese sogar vollständig kompensieren.
-
Im
Ergebnis werden somit bei dem erfindungsgemäßen Steuerventil 19 die
im Inneren des Ventilkörpers 35 herrschenden
Zugbeanspruchungen deutlich reduziert oder sogar vollständig durch die
Druckbeaufschlagung am Außendurchmesser des
Ventilkörpers 35 eliminiert.
Infolgedessen steigt die Druckfestigkeit des erfindungsgemäßen Ventilkörpers und
es kann auf aufwändige
Verrundungs- und Nachbearbeitungsprozesse im Bereich der Verschneidungen
zwischen Querbohrung 47 und erstem Ringraum sowie an den
Durchmesseränderungen
im Bereich des Ventilsitzes 49 verzichtet werden.
-
In
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Steuerraumkörper 25 und
der Ventilkörper 35 als
getrennte Bauteile ausgebildet. Dadurch kann der Ventilkolben 47 von
unten in den Ventilkörper 35 eingeführt werden.
-
Wenn,
wie in 4 dargestellt, der Ventilsitz 49 als
Steuerkante ausgebildet wird und der Ventilkolben 47 oberhalb
der Dichtkante 49 als Schieber ausgebildet ist, kann der
Durchmesser des Ventilkolbens, mit Ausnahme des ersten Ringraums 45, über die
gesamte Länge
konstant gehalten werden. Somit kann der Ventilkolben 43 von
oben in den Ventilkörper 35 eingeführt werden.
Selbstverständlich
kann auch der im Ventilkolben 47 befindliche Teil des ersten
Ringraums 45 entfallen.
-
Infolgedessen
ist es möglich,
Ventilkörper 35 und
Steuerraumkörper 45 einstückig auszubilden.
-
Bei
diesem Ausführungsbeispiel
muss ein Hubanschlag des Ventilkolbens 43 vorgesehen werden.
Dies kann beispielsweise im Bereich des elektromagnetischen Aktuators 21 erfolgen.
-
Die
Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
gemäß 4 entspricht
dem zuvor beschriebenen.