DE19716041C2

DE19716041C2 - Elektromagnetisch betätigbares Ventil

Info

Publication number: DE19716041C2
Application number: DE19716041A
Authority: DE
Inventors: Christoph Espey
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: GB9808086D0; DE19716041A1; FR2762363B1; US6068236A; FR2779485B1; ITRM980232A1; GB2324355A; FR2762363A1; IT1299413B1; GB2324355B; FR2779485A1; ITRM980232A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisch betätigba res Ventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Ventil einer Einspritzvorrichtung ist aus der DE 39 29 134 C2 bekannt. Das elektromagnetisch betätigbare Ventil weist einen Ventilsitz, einen Ventilschaft mit einem Führungsteil, einen Ventilteller, eine elektromagnetische Stellvorrichtung und eine Feder auf. Das Ventil ist über das Führungsteil axial beweglich in der Ventilführung geführt. Die die Schließfunktion ausübende Stellvorrichtung und die die Öff nungsfunktion ausübende Feder führen das Ventil in die jeweili gen Endstellungen. In der Schließstellung des Ventils liegt der Ventilteller am Ventilsitz an. Das Führungsteil weist eine Schulter auf, die zwischen sich und dem Ventilteller einen Steuerraum mit einer Kraftstoffdruckbohrung ausbildet. In dem Steuerraum wirken hydraulische Kräfte auf die Schulter und den Ventilteller. Die hydraulische Kraft, die auf die Schulter des Führungsteiles in Schließrichtung des Ventiles wirkt, ent spricht im Idealzustand (Neuzustand) genau der hydraulischen Kraft, die auf den Ventilteller in Öffnungsrichtung des Venti les wirkt. Die hydraulischen Kräfte im Steuerraum befinden sich im Gleichgewicht.

Bei Ventilen dieser Art können über die Laufzeit des Ventils die hydraulischen Verhältnisse im Steuerraum zu einem Ungleich gewicht führen, d. h., daß der im Neuzustand des Ventiles an der innenliegenden Kante des gehäuseseitigen Ventilsitzes liegende und dort einen kreislinienförmigen Sitz bildende hydraulisch wirksame Dichtungsdurchmesser sich mit zunehmender Laufzeit des Ventiles vergrößert. Ursache hierfür sind die Verunreinigungen im Kraftstoff, die einen Schmirgeleffekt erzeugen. Es bilden sich Riefen an den zu dichtenden Flächen, nämlich an der Kegel fläche des Ventiltellers und an der gehäuseseitigen Ventilsitz fläche.

Es stellt sich also ein Ungleichgewicht ein, da sich Kräfte zu sätzlich an den rauhen Dichtflächen ausbreiten können. Der hy draulisch wirksame Dichtungsdurchmesser wandert entsprechend nach außen bzw. vergrößert sich entsprechend. Somit reicht die auf das Führungsteil wirkende Schließkraft, welche sich aus der Differenzkraft der auf die Schulter des Führungsteiles wirken den hydraulischen Schließkraft und der auf den Ventilteller wirkenden Öffnungskraft sowie aus der Magnetkraft der Stellvor richtung abzüglich der Federkraft der Öffnungsfeder ergibt, nicht mehr aus, eine störungsfreie Schließfunktion des Ventiles sicherzustellen. Die Folge kann ein früheres Öffnen des Venti les sein. Bei Extremfällen ist sogar ein ungewolltes Öffnen des Ventiles nicht auszuschließen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, an einem elektromagneti schen Ventil einfache Maßnahmen vorzusehen, durch die die Schließ- und Öffnungsfunktion des Ventils über dessen Gesamt laufzeit gewährleistet ist, ohne die Magnetkraft des Elektroma gneten verstärken zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen, nämlich durch eine Ver kleinerung des Außendurchmessers des Ventiltellers den hydrau lisch wirksamen Sitz- bzw. Dichtungsdurchmesser des Ventiles über die Laufzeit des Ventiles so zu begrenzen, daß die in der Schließstellung des Ventiles auf den Ventilteller wirkende hy draulische Öffnungskraft kleiner bleibt als die auf das Füh rungsteil wirkende Schließkraft, wird auf einfache Weise er reicht, daß die hydraulischen Kräfte im Steuerraum über die Laufzeit des Ventiles im wesentlichen im Gleichgewicht bleiben. Die für die Schließstellung des Ventils verantwortliche Magnet kraft der Stellvorrichtung kann schwächer ausgelegt werden. Dennoch ist ein ungewolltes Öffnen des Ventils in der Schließ phase wirksam verhindert. Der abrasive Verschleiß am Ventilsitz durch Partikel, die über den Kraftstoff transportiert werden, hat nur vernachlässigbare Auswirkungen auf die Schließ- und Öffnungsfunktion des Ventils. Selbst über eine lange Laufzeit des Ventils bleiben die hydraulischen Verhältnisse im Steuer raum in etwa gleich.

In den Zeichnungen ist im folgenden die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher er läutert, und zwar zeigen:

Fig. 1 in einem Schnitt ein elektromagnetisch betätigbares Ventil, ähnlich dem der gattungsbildenden DE 39 29 134 C2, in Schließstellung mit einem Ventilsitz und einem Ventilkörper, wobei der Ventilteller unter Ausbildung eines hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers gegen den Ventilsitz anliegt, mit einer Feder und einer elektro magnetischen Stellvorrichtung,

Fig. 2 in einem ersten Ausführungsbeispiel einen Ausschnitt eines elektromagnetisch betätigbaren Ventiles in Schnittdarstellung, wobei erfindungsgemäß der hydrau lisch wirksame Sitzdurchmesser durch die Ventilkörper geometrie begrenzt ist, und

Fig. 3 in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen Ausschnitt eines elektromagnetisch betätigbaren Ventiles in Schnittdarstellung, wobei erfindungsgemäß der hydrau lisch wirksame Sitzdurchmesser durch die Ventilsitzgeo metrie begrenzt ist.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein elektromagnetisch betätigtes Ventil 1, 1 ₁ und 1 ₂, wobei jeweils der obere Bereich der Figuren das Ventil 1, 1 ₁, 1 ₂ im Neuzustand und der untere Bereich das Ven til 1, 1 ₁, 1 ₂ nach einer gewissen Laufzeit darstellt. Gleiche Bauteile in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen gekenn zeichnet.

Fig. 1 zeigt ein gattungsgemäßes Ventil 1, das in einem Gehäuse 2 beispielsweise einer Kraftstoffeinspritzpumpe eingesetzt ist und einen Ventilsitz 3 und einen Ventilkörper 4 aufweist. Der Ventilkörper 4 umfaßt einen Ventilteller 5 und einen Ventil schaft 6 mit einem Führungsteil 7, wobei das Führungsteil 7 ei ne Schulter 8 ausbildet. Das Ventil 1 ist über das Führungsteil 7 in einer Ventilführung 9 des Gehäuses 2 axial beweglich ge führt und kann geöffnet oder geschlossen werden, wobei in der Schließstellung des Ventils 1 der Ventilteller 5 unter Ausbil dung eines hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. dichtend gegen den Ventilsitz 3 anliegt.

Über eine elektromagnetische Stellvorrichtung 10 sowie eine Fe der 11 ist das Ventil 1 in seine Endlagen d. h. in die Offen- oder Schließstellung führbar, wobei die elektromagnetische Stellvorrichtung 10 in Schließrichtung 12 und die Feder 11 in Öffnungsrichtung 13 des Ventils 1 wirkt.

Zwischen der Schulter 8 des Führungsteiles 7 und dem Ventiltel ler 5 ist ein Steuerraum 14 mit einer Kraftstoffdruckbohrung 15, die zur Einspritzpumpe führt, ausgebildet. An dem Ventil teller 5 greift eine hydraulische Kraft F_Öhydr. in Öffnungsrich tung 13 und an der Schulter 8 greift eine hydraulische Kraft F_S _hydr. in Schließrichtung 12 des Ventils 1 an. Im Idealzustand des Ventils 1, was im vorliegenden Fall der Neuzustand des Ven tils 1 ist, entspricht der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. dem Durchmesser D der Ventilführung bzw. -bohrung 9, wodurch sich die hydraulischen Verhältnisse F_Öhydr. : F_Shydr. im Steuerraum 14 im Gleichgewicht befinden. Die hydraulische Kraft F_Shydr., die auf die Schulter 8 des Führungsteiles 7 in Schließ richtung 12 des Ventils 1 wirkt, entspricht in diesem Idealzu stand genau der hydraulischen Kraft F_Öhydr., die auf den Ventil teller 5 in Öffnungsrichtung 13 des Ventils 1 wirkt, wobei die hydraulische Kraft F_Öhydr. in Öffnungsrichtung 13 vom hydrau lisch wirksamen Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. und die hydraulische Kraft F_Shydr. in Schließrichtung 12 vom Durchmesser D der Ven tilführung 9 abhängig ist.

Beim Schließen wird das axial bewegliche Ventil 1 durch die Ma gnetkraft F_M der elektromagnetischen Stellvorrichtung 10 entge gen der Federkraft F_F der Öffnungsfeder 11 in Schließrichtung 12 verschoben, wobei der Ventilteller 5 am Ventilsitz 3 an liegt. Bei der Öffnungsbewegung des Ventils 1 bewirkt die Feder 11 eine entgegengesetzte Bewegung des Ventils 1 in Öffnungs richtung 13 und damit ein Abheben des Ventiltellers 5 vom Ven tilsitz 3.

Mit Einarbeiten des Ventiltellers 5 in den Ventilsitz 3 und ei ner damit verbundenen Sitzverbreiterung über die Laufzeit des Ventils 1, wie im unteren Bereich der Fig. 1 gezeigt, ändern sich die hydraulischen Verhältnisse F_Öhydr. : F_Shydr. und dadurch die gesamte Kräftebilanz am Ventil 1, zumal hydraulische Kräfte durch den aufgerauhten Sitzbereich in Öffnungsrichtung zusätz lich wirken. Die Sitzverbreiterung des Ventils 1 führt zu einer Vergrößerung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. wie in Fig. 1 dargestellt. Damit erfährt das Ventil 1 eine resultierende hydraulische Kraft F_Öhydr. in Öffnungsrich tung 13. Diese resultierende Kraft F_Öhydr. in Öffnungsrichtung 13 wirkt neben der Federkraft F_F der für das Schließen des Ven tils 1 verantwortlichen Magnetkraft F_M entgegen und bewirkt ein ungewolltes vorzeitiges Öffnen des Ventils 1. Beim Einsatz des Ventils 1 in einer Einspritzpumpe würde dies ein ungewolltes vorzeitiges Öffnen während der Einspritzung bedeuten. Ab einer bestimmten Vergrößerung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmes sers d_hydr.wirk. wird die Magnetkraft F_M durch die Federkraft F_F und die hydraulische Kraft F_Öhydr. in Öffnungsrichtung 13 über wunden.

Um zu verhindern, daß sich die hydraulische Kraft F_Öhydr. in Öffnungsrichtung 13 über die Laufzeit des Ventils 1 zu stark erhöht und somit zum einwandfreien Funktionieren des Ventils 1 eine Erhöhung der für das Schließen verantwortlichen Magnet kraft F_M nötig wird, wird erfindungsgemäß der hydraulisch wirk same Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. des Ventils 1 zwangsweise be grenzt. Im Idealfall bewirkt die Begrenzung ein Kräftegleichge wicht zwischen den hydraulischen Kräften F_Öhydr. und F_Shydr. im Steuerraum 14, wodurch nur noch die Federkraft F_F und die Ma gnetkraft F_M auf das Ventil 1 einwirken. Außerhalb des Ideal falls bewirkt die Begrenzung des hydraulisch wirksamen Sitz durchmessers, daß sich die hydraulische Kraft F_Öhydr. in Öff nungsrichtung 13 in einem unkritischen Bereich bewegt und somit kein ungewolltes Öffnen des Ventils erfolgt. Eine Begrenzung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. kann, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, durch die Geometrie des Ventilkörpers 4 oder des Ventilsitzes 3 erfolgen.

Fig. 2 zeigt die Begrenzung des hydraulisch wirksamen Sitz durchmessers d_hydr.wirk. durch die Geometrie des Ventilkörpers 41. Eine Verkleinerung des Außendurchmessers d_a1 des Ventiltellers 5 ₁ im Bereich des Ventilsitzes 3 ₁ führt im Gegensatz zum Außen durchmesser d_a des Ventiltellers 5 aus Fig. 1 zwangsweise zu einer Begrenzung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr.wirk., so daß die in der Schließstellung des Ventils 1 ₁ auf die Schulter 8 des Führungsteiles 7 und den Ventilteller 5 ₁ wirkenden Kräfte F_Öhydr., F_Shydr. im wesentlichen gleich sind. Der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. bleibt über die Laufzeit des Ventils 11 in etwa gleich.

Als weitere Möglichkeit zur Begrenzung des hydraulisch wirksa men Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. eines Ventils wäre ein mit einem Außenradius kreislinienförmig abdichtendes Ventil denkbar. Da durch ergibt sich ausgehend von einer hydraulisch nicht idealen aber dennoch unkritischen Ausgangsposition (Neuzustand des Ven tils), nach Einarbeiten des Ventils über seine Laufzeit, eine Verkleinerung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr. _wirk., da sich das Ventil von außen nach innen in den Ventilsitz einarbeitet, und somit eine Verbesserung der hydraulischen Ver hältnisse. Den höchsten Wert weist der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. im Neuzustand auf, der so gewählt wird, daß er sich noch im unkritischen Bereich befindet, d. h. die hydraulische Kraft F_Öhydr. auf den Ventilteller bewirkt noch kein ungewolltes Öffnen des Ventils.

In Fig. 3 erfolgt die Begrenzung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. durch die Geometrie des Ventilsitzes 3 ₂. Das Ventil 1 ₂ liegt im Neuzustand mit einem etwas größeren hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. an einer abste henden Kante 16 des Ventilsitzes 3 ₂ an, wobei sich der Sitz durchmesser d_hydr.wirk. aber noch im unkritischen Bereich befin det. Über die Laufzeit des Ventils 1 ₂ arbeitet sich der Ventil sitz 3 ₂ nach außen und innen ein, wodurch der hydraulisch wirk same Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. unverändert und daher weiterhin unkritisch bleibt. Die in der Schließstellung des Ventils 1 ₂ auf den Ventilteller 5 ₂ wirkende hydraulische Kraft F_Öhydr. ist nur unwesentlich höher als die auf die Schulter 8 des Führungs teiles 7 wirkende hydraulische Kraft F_Shydr. und bewirkt kein ungewolltes Öffnen des Ventils 1 ₂ in der Schließphase.

Als weitere Möglichkeit zur Begrenzung des hydraulisch wirksa men Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. durch die Ventilsitzgeometrie wäre ein Bund am Gehäuse als Ventilsitz denkbar, wodurch das Ventil sich nur in eine auf den Bund begrenzte Fläche einarbei ten könnte und der hydraulische wirksame Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. dadurch eine Begrenzung erfährt.

Ferner könnte der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. durch die Ventilkörpergeometrie oder die Ventilsitzgeome trie derart begrenzt werden, daß er dem Durchmesser D der Ven tilführung 9 entspricht.

Claims

1. Elektromagnetisch betätigbares Ventil, insbesondere für Kraftstoffeinspitzanlagen, mit einem Ventilsitz und einem Ven tilkörper, der einen Ventilschaft, welcher ein mit einer Schul ter versehenes Führungsteil ausbildet, über welches das Ventil axial beweglich in einer Ventilführung geführt ist, und einen Ventilteller umfaßt, der in der Schließstellung des Ventils un ter Ausbildung eines hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers ge gen den Ventilsitz anliegt, mit einer elektromagnetischen Stellvorrichtung und einer Feder, durch welche das Ventil in die Endstellungen führbar ist, wobei zwischen der Schulter des Führungsteiles und dem Ventilteller ein Steuerraum mit einer Kraftstoffdruckbohrung ausgebildet ist, und wobei in dem Steu erraum hydraulische Kräfte auf die Schulter und den Ventiltel ler wirken, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser (d_hydr.wirk.) des Ventils (1 ₁) über die Laufzeit des Ventiles (1 ₁) derart durch eine Verkleinerung des Außendurchmessers (d_A1) des Ventiltellers (5 ₁) begrenzt ist, daß die in der Schließstellung des Ventils (1 ₁) auf den Ventilteller (5 ₁) wirkende hydraulische Öffnung kraft (F_Öhydr.) kleiner bleibt als die auf das Führungsteil (7) wirkende Schließkraft.

2. Elektromagnetisch betätigbares Ventil, insbesondere für Kraftstoffeinspitzanlagen, mit einem Ventilsitz und einem Ven tilkörper, der einen Ventilschaft, welcher ein mit einer Schul ter versehenes Führungsteil ausbildet, über welches das Ventil axial beweglich in einer Ventilführung geführt ist, und einen Ventilteller umfaßt, der in der Schließstellung des Ventils un ter Ausbildung eines hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers ge gen den Ventilsitz anliegt, mit einer elektromagnetischen Stellvorrichtung und einer Feder, durch welche das Ventil in die Endstellungen führbar ist, wobei zwischen der Schulter des Führungsteiles und dem Ventilteller ein Steuerraum mit einer Kraftstoffdruckbohrung ausgebildet ist, und wobei in dem Steu erraum hydraulische Kräfte auf die Schulter und den Ventiltel ler wirken, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser (d_hydr.wirk.) des Ventiles (1 ₂) durch eine kreislinienförmig abstehende Kante(16) des Ventilsitzes (3 ₂) begrenzt ist, so daß durch Abflachen der Kante (10) über die Laufzeit des Ventiles (1 ₂) die in der Schließstellung des Ventiles (1 ₂) auf den Ventilteller (5 ₂) wirkende hydraulische Öffnungskraft (F_Öhydr.) kleiner bleibt als die auf das Führungsteiles (7) wirkende Schließkraft.