DE102007044361A1

DE102007044361A1 - Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102007044361A1
Application number: DE200710044361
Authority: DE
Inventors: Rudolf Heinz; Ralf Nussbaumer; Nadja Eisenmenger; Michael Mennicken; Holger Rapp; Christian Faltin; Bernd Streicher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-17
Filing date: 2007-09-17
Publication date: 2009-03-19
Also published as: CN101802384A; CN101802384B; EP2201237A1; WO2009037095A1; EP2201237B1

Abstract

Es wird ein Steuerventil (13) zum Ansteuern eines Steuerraums (20) eines Kraftstoffinjektors mit einem Ventilstück (25) und einer Ventilhülse (30) vorgeschlagen. Die Ventilhülse (30) ist axial beweglich geführt und drückt mit einer Schließkraft gegen einen am Ventilstück (25) ausgebildeten Ventilsitz (38). Die Ventilhülse (30) ist mit einer Außenumfangsfläche (34) in einer Führungshülse (50) geführt, welche als ein von dem Ventilstück (25) separates Bauteil ausgebildet ist. Auf die Führungshülse (50) wirkt eine Niederhaltefeder (47) derart ein, dass die Führungshülse (50) selbstzentrierend zur Achse einer konischen Außenfläche (28) auf dem Ventilstück (25) aufliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein kraftausgeglichenes Steuerventil zur Steuerung eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Ein kraftausgeglichenes Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor ist aus EP 1 612 403 A1 bekannt, bei dem an einem Führungszapfen eines Ventilstücks eine Ventilhülse axial beweglich geführt ist. Die Ventilhülse begrenzt eine Ventilkammer nach außen, die mit einem Steuerraum einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors über eine Ablaufbohrung verbunden ist. Durch eine Schließfeder wird die Ventilhülse gegen einen am Ventilstück ausgebildeten Ventilsitz gepresst und verschließt dadurch die Ventilkammer nach außen. Die Ventilhülse wird von einem elektromagnetischen Stellelement bewegt und dabei kraftausgeglichen betrieben, d. h., dass auf die Ventilhülse durch den Kraftstoff in der Ventilkammer keine resultierende Kraft in deren Bewegungsrichtung ausgeübt wird. Zum Ansteuern der Düsennadel des Kraftstoffinjektors wird der Steuerraum der Düsennadel über den Ventilsitz mit einem Niederdruck/Rücklaufsystem verbunden und in Folge dessen druckentlastet.
Derartige kraftausgeglichene Steuerventile zeichnen sich dadurch aus, dass wegen der hohen Kraftstoffdrücke von über 2000 bar aus Festigkeitsgründen ein vergleichsweise großer Ventilsitzdurchmesser notwendig ist, da ansonsten die Gefahr eines Bruchs des Ventilstücks im Bereich der vorliegenden Bohrungsverschneidungen besteht.
Aus diesem Grunde ist bereit in der DE-Patentanmeldung 10 2006 021 736.5 vorgeschlagen worden, dass die Ventilhülse einen separaten Druckstift umschließt, der lediglich die Aufgabe hat, die innerhalb der Ventilhülse sich befindende Ventilkammer in axialer Richtung nach oben abzudichten. Durch die Trennung von Ventilstück und Druckstift entfallen die komplizierten Bohrungsverschneidungen und damit insbesondere die mit hohen Zugspannungen belasteten Bereiche des Ventilstücks. In der Folge kann der Ventilsitzdurchmesser deutlich kleiner ausgelegt werden, als dies bei dem aus der EP 1 612 403 A1 bekannten Stand der Technik der Fall ist.
Um die Führung der Ventilhülse zu vereinfachen, wurde außerdem in der DE-Patentanmeldung 10 2007 022 586.7 vorgeschlagen, die Ventilhülse an ihrem Außenumfang in einer Führungshülse zu führen, die als ein vom Ventilstück separates Bauteil ausgebildet und am Ventilstück mittels eines selbsthemmenden Reibschlusses festgelegt ist.
Beim Vorschlag der DE-Patentanmeldung 10 2006 021 736.5 ist durch die ausgebildete Führung am Ventilstück der Ventilsitz in der Führung versenkt, so dass die Oberfläche des Ventilsitzes nicht mehr frei zugänglich ist. Dadurch ist der Ventilsitz nur durch eine aufwendige Schleiftechnik bearbeitbar. Auch bei einer notwendigen Beschichtung der Oberfläche ist der Ventilsitz für den Beschichtungsprozess nur sehr schwer zugänglich. Darüber hinaus kann der am Grund der Führungsbohrung befindliche Ventilsitz nur noch als Flachsitz oder als konkaver Kegelsitz ausgeführt werden, nicht jedoch als konvexer Kegelsitz, wobei letztere Sitzausführung aus Robustheitsgründen vorteilhaft ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Führung für die Ventilhülse mit der gleichen Genauigkeit zu schaffen, wie dies bei der bisherigen technischen Lösung der Fall ist. Die Geometrie der Führung sollte es aber dabei erlauben, dass der Ventilsitz für die Bearbeitung und die Beschichtung der Oberfläche frei zugänglich ist.
Darlegung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Auf die Führungshülse wirkt eine Niederhaltefeder ein, derart, dass die Führungshülse selbstzentrierend zur Achse der konischen Außenfläche auf dem Ventilstück aufliegt. Aufgrund der Federkraft der Niederhaltefeder liegt die Führungshülse mit einer Vorspannkraft auf dem Ventilstück auf. Dadurch richtet sich die Führungshülse koaxial zur Achse der konischen Außenfläche am Ventilstück aus. Da die Symmetrieachsen der konischen Außenfläche und der Ventilsitzfläche durch eine gemeinsame Bearbeitung identische Symmetrieachsen am Ventilstück aufweisen, ist durch die Ausrichtung der Führungshülse an der konischen Außenfläche die Führungshülse und damit auch die Ventilhülse zentriert zum Ventilsitz am Ventilstück ausgerichtet. Es entfällt somit eine aufwendige, aufeinander abgestimmte Bearbeitung von Führungsfläche und Ventilsitzfläche, um zu gewährleisten, dass die Symmetrieachse der Führung für die Ventilhülse und die Symmetrieachse des Ventilsitzes übereinstimmen. Zusätzlich ist die Ventilsitzfläche für eine Bearbeitung und/oder Beschichtung nach außen vorstehend und damit frei zugänglich.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
Eine sichere Selbstzentrierung der Führungshülse wird erreicht, wenn die Führungshülse mit einer umlaufenden Kante auf der konischen Außenfläche des Ventilstücks aufliegt. Dazu weist die Führungshülse eine konische Innenfläche auf, wobei die umlaufende Kante durch eine zwischen der konischen Innenfläche und einer Führungsbohrung vorliegenden Verschneidung gebildet ist. Eine umlaufende, kreisförmige Auflage der Führungshülse auf dem Ventilstück wird erreicht, wenn die konische Außenfläche des Ventilstücks einen Kegelwinkel α und die konische Innenfläche der Führungshülse einen Kegelwinkel β aufweisen, und wenn der Kegelwinkel β der konischen Innenfläche größer ist als der Kegelwinkel α der konischen Außenfläche. Die Niederhaltefeder kann sich entweder an einem gehäusefesten Bauteil abstützen oder in vorteilhafter Weise an der Ventilhülse bzw. am Magnetanker. Im letzteren Fall wird die Differenz aus Ventilfederkraft und Niederhaltefederkraft als mechanische Schließkraft auf den Ventilsitz der Ventilhülse wirken. Damit bei offenen Ventilsitz die aus der Ventilkammer abströmende Kraftstoffmenge ungehindert abströmen kann, ist eine hydraulische Verbindung zwischen einem Ringraum und dem die Ventilhülse umgebenden Niederdruckraum vorhanden. Die hydraulische Verbindung kann dabei durch mindestens eine Querbohrung in der Führungshülse und/oder durch mindestens einen Flächenanschliff an der Ventilhülse und/oder durch mindestens eine Abströmbohrung im Ventilstück, die dann den Absteuerstoß, z. B. auch nach unten vom Niederdruckraum weg, abführen kann, ausgeführt sein.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines steuerventilseitigen Ausschnitts eines Kraftstoffinjektors in Verbindung mit einem Common-Rail-System.
Der dargestellte steuerventilseitige Ausschnitt eines Kraftstoffinjektors 1 ist an ein Common-Rail-System einer Brennkraftmaschine angeschlossen. Das Common-Rail-System umfasst eine Rücklaufleitung 2, einen Vorratsbehälter 3, eine Hochdruckpumpe 4, einen Kraftstoffspeicher 5 (Common-Rail) und eine Kraftstoffversorgungsleitung 6.
Der steuerventilseitige Ausschnitt des Kraftstoffinjektors 1 zeigt einen Ventilkörper 11, einen Düsenadelkolben 12 einer nicht dargestellten Düsennadel, ein Steuerventil 13, ein elektromagnetisches Stellelement 14 und ein Gehäuse 15 für das Stellelement 14. Das elektromagnetische Stellelement 14 umfasst eine Magnetspule 43, die in einer Aufnahme 44 des Gehäuses 15 fixiert ist.
Der Ventilkörper 11 ist in einem nicht dargestellten Injektorgehäuse hydraulisch dicht eingesetzt und trennt einen Niederdruckraum 17 von einem Hochdruckraum 18. An den Hochdruckraum 18 ist die Kraftstoffversorgungsleitung 6 angeschlossen, die den Hochdruckraum 18 mittels der Hochdruckpumpe 4 mit Systemdruck des Hochdruckspeichers 5 versorgt. Der Niederdruckraum 17 ist an die Rücklaufleitung 2 angeschlossen, die mit Lecköldruck beaufschlagt ist und zu einem Niderdruck-/Rücklaufsystem gehört.
Der Düsennadelkolben 12 ist im Ventilkörper 11 geführt und mit einer Druckfläche 21 einem Steuerraum 20 ausgesetzt. Vom Hochdruckraum 18 führt eine Zulaufbohrung 23 mit einer Zulaufdrossel in den Steuerraum 20.
Das Steuerventil 13 umfasst ein Ventilstück 25, eine Ventilhülse 30 und eine Führungshülse 50. Das Ventilstück 25 ist einstückig mit dem Ventilkörper 11 verbunden. Das Ventilstück 25 ist mit einem ersten konischen Abschnitt 26, einem zweiten konischen Abschnitt 27 und mit einer koaxialen zylindrischen Vertiefung 37 ausgeführt. Der erste konische Abschnitt 26 bildet eine konische Außenfläche 28 mit einem Winkel α. Der zweite konische Abschnitt 27 bildet ein konische Ventilsitzfläche 29.
Die Ventilhülse 30 weist einen tellerförmigen Magnetanker 31, eine Aufnahmebohrung 32, eine stirnseitige Ringfläche 33 und eine Außenumfangsfläche 34 auf. In der Aufnahmebohrung 32 ist eine Druckstange 35 aufgenommen, die sich am Gehäuse 15 des Stellelements 14 abstützt. Die Druckstange 35 weist eine ventilsitzseitige Stirnfläche 36 auf. Die stirnseitige Ringfläche 33 verläuft konisch, so dass diese mit einer Dichtkante mit der konischen Ventilsitzfläche 29 des Ventilstücks 25 zusammenwirkt und mit dieser einen Ventilsitz 38 ausbildet. Innerhalb der Ventilhülse 30 bildet sich unterhalb der Stirnfläche 36 der Druckstange 35 eine Ventilkammer 40 aus, die über eine Bohrung 41 mit einer Ablaufdrossel 42 mit dem Steuerraum 20 hydraulisch verbunden ist.
Aufgrund der Tatsache, dass die Ventilhülse 30 keine in axialer Richtung wirkende Druckangriffsfläche für den Kraftstoff innerhalb der Ventilkammer 40 aufweist, handelt es sich bei dem Steuerventil 13 um ein in axialer Richtung druckausgeglichenes Servo-Ventil.
Die Führungshülse 50 weist eine Führungsbohrung 51 auf, in der die Außenumfangsfläche 34 der Ventilhülse 30 geführt ist. Die Führungshülse 50 ist an einer zum Ventilstück 25 weisenden Stirnfläche mit einer konischen Innenfläche 52 mit einem Kegelwinkel β ausgeführt. Zweckmäßigerweise ist der Kegelwinkel β der konischen Innenfläche 52 geringfügig größer als der Kegelwinkel α der konischen Außenfläche 28 des konischen Abschnitts 26 des Ventilstücks 25. Dadurch bildet die Verschneidung zwischen der konischen Innenfläche 52 und der Führungsbohrung 51 eine kreisförmige Kante 54 aus, mit der die Führungshülse 50 auf der konischen Außenfläche 28 des Ventilstücks 25 aufliegt. Dadurch richtet sich die Führungshülse 50 koaxial und parallel zur Achse des konischen Abschnitts 26 am Ventilstück 25 aus. Da der konische Abschnitt 26 und die den Ventilsitz 38 ausbildende konische Ventilsitzfläche 29 die gleiche Symmetrieachse besitzen, ist durch die Führung der Ventilhülse 30 in der Führungshülse 50 auch die Ventilhülse 30 mit ihrer stirnseitigen Ringfläche 33 koaxial zur konischen Ventilsitzfläche 29 des Ventilstücks 25 ausgerichtet. Dadurch liegt der Ventilsitz 38 zwischen Ventilhülse 30 und Ventilsstück 25 als eine geschlossene, umlaufende Linienauflage vor.
Zwischen Ventilstück 25, Ventilhülse 30 und Führungshülse 50 ist weiterhin ein Ringraum 55 angeordnet, der über eine durch die Führungshülse 50 geführte Bohrung 56 mit dem Niederdruckraum 17 verbunden ist. Die als hydraulische Verbindung ausgeführte Bohrung 56 kann jedoch auch mittels eines Flächenanschliffs an der Ventilhülse 30 oder durch mindestens eine Abströmbohrung im Ventilstück 25, die dann den Absteuerstoß in den Niederdruckraum 17 abführt, ausgeführt sein. Ebenso kann statt der Bohrung 56 eine oder mehrere radial verlaufende Nuten in der konischen Innenfläche 52 vorgesehen sein.
Die Ventilhülse 30 ist mittels einer ersten Schließfeder 46 in Schließrichtung des Ventilsitzes 38 gegen die konische Ringfläche 29 vorgespannt. Die Führungshülse 50 wird mittels einer zweiten Niederhaltefeder 47, die sich beispielsweise an der Ventilhülse 30 abstützt, gegen das Ventilstück 25 gedrückt. Um eine Schließkraft für die Ventilhülse 30 und Ventilsitz 38 zu erzielen, ist es notwendig, dass die Kraft der Schließfeder 46 größer ist als die Druckkraft der Niederhaltefeder 47, denn die mechanische Schließkraft für den Ventilsitz 38 ergibt sich aus der Differenz der Federkräfte von Schließfeder 46 und Niederhaltefeder 47.
Zum Ansteuern der Düsennadel wird das Stellelement 14 betätigt, indem der Magnetanker 31 zur Magnetspule 43 gezogen wird. Dabei bewegt sich die Ventilhülse 30 in axialer Richtung nach oben und der Ventilsitz 38 wird freigegeben. Dadurch entsteht eine hydraulische Verbindung zwischen Ventilkammer 40 und dem Niederdruckraum 17 über den Ringraum 55 und die Bohrung 56. Über die Ablaufbohrung 41 mit der Ablaufdrossel 42 wird infolgedessen der Steuerraum 20 mit dem Niederdruckraum 17 verbunden und dadurch druckentlastet. Auf eine nicht dargestellte Druckschulter der Düsennadel wirkt eine vom Hochdruckraum 18 ausgehende Öffnungskraft, die größer ist als die im Steuerraum 20 auf die Druckfläche 21 wirkende Schließkraft. Infolgedessen hebt die Düsennadel vom Düsennadelsitz ab und Kraftstoff wird mit dem Systemdruck des Kraftstoffhochdruckspeichers 6 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1612403 A1 [0002, 0004]
- DE 102006021736 [0004, 0006]
- DE 102007022586 [0005]

Claims

Steuerventil für ein Kraftstoffinjektor mit einem Ventilstück (25) und einer Ventilhülse (30), die axial beweglich geführt ist und mit einer Schließkraft gegen einen am Ventilstück (25) ausgebildeten Ventilsitz (38) rückt, wobei das Ventilstück (25) eine konischen Außenfläche (28) aufweist, wobei die Ventilhülse (30) von einem Stellelement (14) betätigbar ist, wobei zwischen Ventilhülse (30) und Ventilstück (25) eine Ventilkammer (40) ausgebildet ist, wobei die Ventilkammer (40) über eine Ablaufbohrung (41) mit einem Steuerraum (20) einer Düsennadel hydraulisch verbunden ist, wobei die Ventilkammer (40) in einen Niederdruckraum (17), der mit einem Niederdruck-/Rücklaufsystem hydraulisch verbunden ist, über den Ventilsitz (38) druckentlastbar ist, und wobei die Ventilhülse (30) an einer Außenumfangsfläche (34) von einer Führungshülse (50) geführt ist, welche als ein von dem Ventilstück (25) separates Bauteil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Niederhaltefeder (47) vorgesehen ist, die auf die Führungshülse (50) einwirkt, derart, dass die Führungshülse (50) selbstzentrierend zur Achse der konischen Außenfläche (28) auf dem Ventilstück (25) aufliegt.
Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Führungshülse (50) eine umlaufende Kante (54) ausgebildet ist, mit der die Führungshülse (50) auf der konischen Außenfläche (28) des Ventilstücks (25) aufliegt.
Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse (40) eine konische Innenfläche (52) aufweist, und dass die umlaufende Kante (54) durch eine zwischen der konischen Innenfläche (52) und einer Führungsbohrung (51) vorliegenden Verschneidung gebildet ist.
Steuerventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die konische Außenfläche (28) des Ventilstücks (25) einen Kegelwinkel α und die konische Innenfläche (52) der Führungshülse (50) einen Kegelwinkel β aufweisen, und dass der Kegelwinkel β der konischen Innenfläche (52) größer ist als der Kegelwinkel α der konischen Außenfläche (28).
Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Niederhaltefeder (47) an einem gehäusefesten Bauteil oder an der Ventilhülse (30) abstützt.
Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ventilhülse (30), der Führungshülse (50) und dem Ventilstück (25) ein Ringraum (55) ausgebildet ist, der über einen Verbindungskanal (56) hydraulisch mit dem Niederdruckraum (17) verbunden ist.
Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ventilhülse (30) eine Aufnahmebohrung (32) zur Aufnahme einer Druckstange (35) ausgebildet ist.
Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ventilhülse (50) und Ventilstück (25) eine Ventilkammer (40) ausgebildet ist, welche von der Ventilhülse (30) in Zusammenwirken mit dem Ventilsitz (38) und von einer ventilsitzseitigen Stirnfläche (36) der Druckstange (35) begrenzt ist.