DE19916658A1 - Steuerventil, insbesondere für Einspritzvorrichtungen für Verbrennungsmaschinen, vorzugsweise Dieselmotoren - Google Patents

Abstract

Der Einspritzvorgang teilt sich in eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung der Kraftstoffmenge auf. Zur Erzeugung der Voreinspritzmenge wird eine Regeleinheit eingesetzt, die einen hohen Aufwand in der Ansteuerelektronik erfordert und mit energetischen Verlusten behaftet ist. Eine kleine Voreinspritzmenge ist nur mit erheblichem regelungstechnischen Aufwand zu erreichen. Das Steuerventil hat Anschläge für einen Kolben. DOLLAR A Um bei einfacher konstruktiver Ausbildung und nur geringem regelungstechnischen Aufwand eine kleine Voreinspritzmenge zu erzeugen, ist wenigstens der eine Anschlag axial verstellbar. Dadurch kann der Hub des Kolbens je nach Erfordernis variiert werden. Dadurch lassen sich in einfacher Weise kleinste Einspritzmengen, insbesondere für die Voreinspritzung und ggf. auch für eine Nacheinspritzung, ohne nachteilige Beeinflussung der Haupteinspritzung exakt steuern. DOLLAR A Das Steuerventil wird in Einspritzvorrichtungen für Kraftfahrzeuge eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil, insbesondere für Einspritzvor­ richtungen für Verbrennungsmaschinen, vorzugsweise Dieselmoto­ ren, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Heutige Verbrennungsmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, be­ nötigen für die sichere und saubere Gemischaufbereitung im Ver­ brennungsraum der Maschine einen Einspritzvorgang, der aus meh­ reren Einzeleinspritzungen besteht. Diese Einspritzvorgänge teilen sich auf in eine oder mehrere Voreinspritzung(en), eine Hauptein­ spritzung und eventuell eine oder mehrere Nacheinspritzung(en) des Kraftstoffes. Zur Erzeugung der Voreinspritzmenge wird eine Regel­ einrichtung angesteuert, die einen hohen Aufwand in der Ansteuere­ lektronik erfordert und mit energetischen Verlusten behaftet ist. Zur Erzeugung der Voreinspritzmenge wird häufig eine Dämpfung einge­ setzt, die jedoch nicht in allen Betriebspunkten voll einsetzbar ist und starke Streuungen je nach Betriebspunkt aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Schaltzeiten der Ansteuerhydraulik für kleine Einspritzmengen durch den Aufbau der Steuerelemente zu groß ist und somit nur mit großem Aufwand eine kleine Voreinspritzmenge erzeugt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Steuerventil so auszubilden, daß ohne hohen Steuerungsaufwand eine kleine Voreinspritzmenge an Kraftstoff in allen Betriebspunkten erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Steuerventil erfindungs­ gemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 ge­ löst.

Beim erfindungsgemäßen Steuerventil läßt sich wenigstens der eine Anschlag für den Kolben axial verstellen. Dadurch kann der Hub des Kolbens und die Zeit in den jeweiligen Endstellungen, die dem ge­ schlossenen oder dem geöffneten Steuerventil entsprechen, erfolgen. Durch die Einstellmöglichkeit des Anschlages kann der Kolbenhub je nach Erfordernis variiert werden. Dadurch lassen sich in einfacher Weise kleinste Einspritzmengen, insbesondere für die Voreinsprit­ zung und gegebenenfalls auch für eine Nacheinspritzung, ohne nachteilige Beeinflussung der Haupteinspritzung exakt steuern. Auch ist es dadurch möglich, Leckageverluste durch entsprechende Ein­ stellung des Anschlages zu verringern.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren An­ sprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 im Axialschnitt eine Einspritzvorrichtung mit einem erfin­ dungsgemäßen Steuerventil,

Fig. 2 und Fig. 3 jeweils im Axialschnitt und in vergrößerter Darstellung das erfindungsgemäße Steuerventil mit unterschiedlichem Ven­ tilhub,

Fig. 4 bis Fig. 6 verschiedene Ausführungsformen des Steuerventils mit unterschiedlichem Hub,

Fig. 7 und Fig. 8 in vereinfachter Darstellung weitere Ausführungsformen des Steuerventils.

Die Einspritzvorrichtung wird in Kraftfahrzeugen eingesetzt und dient dazu, Kraftstoff einer Verbrennungsmaschine, insbesondere einem Dieselmotor, zuzuführen. Die Einspritzvorrichtung hat einen Steuer­ kolben 1, der in einem Gehäuse 2 untergebracht ist. Die Zuführung des Druckmediums zum Steuerkolben 1 erfolgt über ein Steuerventil 3, das an eine Steuereinheit 4 angeschlossen ist. Das Steuerventil 3 ist auf das Gehäuse 2 aufgesetzt und ragt mit einem Ansatz 5 eines Ventilkörpers 6 in eine stirnseitige Vertiefung 7 des Gehäuses 2. In der Außenwand des Ansatzes 5 ist wenigstens eine Ringdichtung 8 untergebracht, die den Ansatz 5 gegenüber dem Gehäuse 2 abdich­ tet. Im Ansatz 5 ist ein Ringraum 9 vorgesehen, der mit Arbeitsan­ schlüssen A, B des Steuerventils 3 leitungsverbunden ist. Das Steu­ erventil 3 wird mit der Steuereinheit 4 geregelt und überwacht. Mit ihr können Spulen 10, 11 des Steuerventils 3 bestromt werden, über welche ein als Anker ausgebildeter Kolben 12 des Steuerventils 3 in der gewünschten Richtung verschoben werden kann. Der Kolben 12 ist zwischen zwei stirnseitigen Anschlägen 13 und 14 axial ver­ schiebbar, die in die Stirnseiten des Ventilkörpers 6 eingesetzt sind.

Ist das Steuerventil 3 geschlossen, liegt der Steuerkolben 1 unter der Kraft einer Schraubendruckfeder 15 am Ansatz 5 des Ventilkörpers 6 an. In Fig. 1 ist der Steuerkolben 1 in seiner durch die Druckfeder 15 verschobenen Ausgangslage dargestellt, in der ein Ventilkörper 16 eines Einspritzventiles 17 Düsenöffnungen 18 verschließt, über die der Kraftstoff in den (nicht dargestellten) Verbrennungsraum der Ver­ brennungsmaschine gefördert wird.

Der Steuerkolben 1 weist eine Kolbenfläche 19 auf, die mit dem Sy­ stemdruck p₁ beaufschlagt wird. In der Kolbenfläche 19 befindet sich ein zentrischer Vorsprung 20, mit dem der Steuerkolben 1 in der Ausgangslage an einem axialen, mittigen Vorsprung 21 des Ansatzes 5 anliegt.

Auf der gegenüberliegenden Seite ist der Steuerkolben 1 mit einer Vertiefung 22 versehen, an deren Boden 23 ein Druckübersetzungs­ kolben 24 anliegt. Er hat kleineren Querschnitt als der Steuerkolben 1 und ragt in eine Bohrung 25 des Gehäuses 2. Durch den Druck­ übersetzungskolben 24 wird der Systemdruck p₁ in den größeren Druck p₂ übersetzt, der auf das Einspritzventil 17 wirkt.

Die Druckfeder 15 liegt an der Unterseite eines stirnseitigen Bundes 26 des Druckübersetzungskolbens 24 an. Die Druckfeder 15 umgibt den Druckübersetzungskolben 24 und liegt mit ihrem anderen Ende am Boden 27 eines den Steuerkolben 1 enthaltenden Aufnahmerau­ mes 28 des Gehäuses 2 an.

Beim Betrieb des Verbrennungsmotors wird über die Steuereinheit 4 durch Bestromen der Spule 11 der Kolben 12 des Steuerventils 3 so verschoben, daß das Hydraulikmedium, das über eine Zuleitung 29 im Ventilkörper 6 zugeführt wird, unter Druck gesetzt wird. Das Hy­ draulikmedium gelangt in den Ringraum 9 und wirkt mit dem System­ druck p₁ auf die Kolbenfläche 19 des Steuerkolbens 1. Die der Kol­ benfläche 19 gegenüberliegende Vertiefung 22 ist druckentlastet und steht über eine das Gehäuse 2 durchsetzende Bohrung 30 mit der Atmosphäre in Verbindung. Dadurch kann der Steuerkolben 1 unter dem Systemdruck p₁ gegen die Kraft der Druckfeder 15 verschoben werden. Der am Boden 23 der Vertiefung 22 anliegende Drucküber­ setzungskolben 24 wird dadurch ebenfalls verschoben, wodurch der in der Bohrung 25 befindliche Kraftstoff über eine fest angeordnete Verteilerplatte 31 in eine Bohrung 32 gedrückt wird. Sie ist in einem Einsatzstück 33 vorgesehen, das von einer Schraubbuchse 34 auf­ genommen ist. Sie wird auf das Gehäuse 2 geschraubt und nimmt das Einspritzventil 17 auf, das aus der Schraubbuchse 34 ragt. Die Verteilerplatte 31 ist zwischen dem Einsatzstück 33 und dem Gehäu­ se 2 mittels der Schraubbuchse 34 eingespannt. Sie untergreift das Einsatzstück 33, so daß beim Aufschrauben der Schraubbuchse 34 das Einsatzstück 33 in Richtung auf das Gehäuse 2 gedrückt wird.

Die Zuführungsbohrung 32 erstreckt sich von der Verteilerplatte 31 durch das Einsatzstück 33 bis zu einer Einspritzkammer 35, die im Einsatzstück 33 vorgesehen und vom Ventilkörper 16 durchsetzt ist. An die Einspritzkammer 35 schließt eine axiale Bohrung 36 an, die zu den Düsenöffnungen 18 führt und die größeren Durchmesser als der in sie ragende Teil des Ventilkörpers 16 hat. Er ragt in einen zentra­ len Aufnahmeraum 37 des Einsatzstückes 33, der auf der gegen­ überliegenden Seite durch die Verteilerplatte 31 geschlossen ist. An ihr stützt sich das eine Ende einer Schraubendruckfeder 38 ab, die mit ihrem anderen Ende auf einem Bund 39 aufliegt, der auf dem im Aufnahmeraum 37 liegenden Ende des Ventilkörpers 16 vorgesehen ist und einen zentralen Vorsprung 40 zur Zentrierung der Schrauben­ druckfeder 38 aufweist. Der Ventilkörper 16 ist mit einem verdickten Abschnitt 41 im Einspritzventil 17 axial geführt und ragt mit diesem Abschnitt 41 in die Einspritzkammer 35. Innerhalb der Einspritzkam­ mer 35 geht der verdickte Abschnitt 41 in einen dünneren Endab­ schnitt 42 über.

Durch den über die Bohrung 32 in die Einspritzkammer 35 gelangen­ den Kraftstoff wird der Ventilkörperabschnitt 41 mit Druck beauf­ schlagt, wodurch der Ventilkörper 16 gegen die Kraft der Druckfeder 38 zurückgeschoben wird. Die Düsenöffnungen 18 werden auf diese Weise vom Ventilkörper 16 freigegeben, so daß der Kraftstoff in die Verbrennungskammer eintreten kann.

Nach dem Einspritzvorgang wird der Kolben 12 durch Ansteuerung des Steuerventils 3 über die Steuereinheit 4 so verschoben, daß der Ringraum 9 zum Tank entlastet ist. Ein in der Verteilerplatte 31 vor­ gesehenes Rückschlagventil 43 wird beim Rückhub der Kolben 1, 24 durch den anstehenden Unterdruck geöffnet, wodurch über eine Boh­ rung 44 in der Schraubbuchse 34 und eine daran anschließende Boh­ rung 45 im Einsatzstück 33 Kraftstoff von einem (nicht dargestellten) Kraftstoffbehälter angesaugt wird. Der Kraftstoff gelangt über die Verteilerplatte 31 in die Bohrung 25, so daß er beim nächsten Hub des Druckübersetzungskolbens 24 in der beschriebenen Weise zu den Düsenöffnungen 18 gefördert wird. Die Bohrung 45 mündet auch in den Aufnahmeraum 37 des Einsatzstückes 33.

Wenn der Kolben 12 des Steuerventils 3 am Anschlag 13 anliegt, sind die beiden Arbeitsanschlüsse A, B des Steuerventiles 3 durch den Kolben 12 von der Zuleitung 29 getrennt. Der Kolben 12 nimmt diese Lage ein, wenn die beiden Kolben 1, 24 in der beschriebenen Weise durch Federkraft in ihre in Fig. 1 dargestellte Ausgangslage zurückgeschoben werden. Das im Ringraum 9 befindliche Hydraulik­ medium wird hierbei über die in den Ringraum 9 mündenden Zulei­ tungen zum Tankanschluß T hin verdrängt, wie in Fig. 2 durch die eingezeichneten Strömungspfeile angegeben ist. Erfolgt der Ein­ spritzvorgang, ist der Kolben 12 so weit verschoben, daß er am ge­ genüberliegenden Anschlag 14 anliegt. Nunmehr sind die Anschlüsse A, B mit der Zuleitung 29 verbunden, während der Tankanschluß T von den in den Ringraum 9 mündenden Bohrungen getrennt ist. Da­ durch kann das Hydraulikmedium über die Anschlüsse A, B und die Bohrungen in den Ringraum 9 gelangen.

Die Steuerung des Einspritzvorganges erfolgt über das Steuerventil 3, das im Ausführungsbeispiel als Magnetventil ausgebildet ist. Als Steuerventil können aber auch andere Ventilarten, beispielsweise Piezoventile, eingesetzt werden. Beim Steuerventil gemäß den Fig. 2 bis 4 ist der Anschlag 14 axial verstellbar, um den Verschiebeweg des Kolbens 12 je nach Erfordernis zu variieren. Über den Kolbenhub ist eine zeitlich und mengenmäßig genaue Steuerung der Einsprit­ zung möglich. Der Anschlag 14 ist als Anker ausgebildet, der von ei­ ner im Ventilkörper 6 untergebrachten Spule 46 umgeben ist. Sie ist an die Steuereinheit 4 angeschlossen. Der Anschlag 14 hat einen Buchsenteil 47, der in einer Bohrung 48 des Ventilkörpers 6 axial verschiebbar geführt ist. An dem vom Kolben 12 abgewandten Ende ist der Buchsenteil 47 mit einem radial nach außen gerichteten Flansch 49 versehen.

Der Anschlag 14 nimmt in Fig. 2 eine solche Stellung ein, daß der Kolben 12 einen großen Hub ausführen kann. Der Kolben 12 wird in der beschriebenen Weise mittels der Spulen 10 bzw. 11 verschoben, um das Hydraulikmedium über die Zuleitung 29 in den Ringraum 9 zu fördern bzw. den Ringraum 9 zum Tank hin zu entlasten. Der andere Anschlag 13 des Steuerventiles 3 ist axial fest am Ventilkörper 6 vor­ gesehen.

Fig. 3 zeigt den Anschlag 14 in seiner eingefahrenen Lage, in der er mit seinem Flansch 49 an der Stirnseite des Ventilkörpers 6 anliegt. Der Buchsenteil 47 ist so weit in den Ventilkörper 6 eingefahren, daß er nur noch geringen Abstand vom Kolben 12 hat. Ihm steht somit nur noch ein verkürzter Kolbenhub zur Verfügung. Zum Verfahren des Anschlages 14 wird die Spule 46 bestromt, gesteuert über die Steu­ ereinheit 4. Das Steuerventil 3 kann so ausgebildet sein, daß der verschiebbare Anschlag 14 stufenlos in unterschiedliche Stellungen relativ zum Kolben 12 verschoben werden kann.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen die offene Ventilposition. Durch die Variation der Lage des Anschlages 14 kann dadurch ein unterschiedlicher Öff­ nungsquerschnitt erreicht werden, so daß das Steuerventil 3 hervor­ ragend an die unterschiedlichen Erfordernisse von Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung angepaßt werden kann. Außerdem wird mit einem kürzeren Ventilhub die Schaltzeit des Steuerventils 3 verringert, was ebenfalls einer verbesserten Kraftstoffmengensteuerung entgegen­ kommt.

Fig. 5 zeigt eine geschlossene Position des Steuerventils 3. Auch in dieser geschlossenen Lage des Steuerventiles 3 kann die Lage des Kolbens 12 verändert werden. Hierzu ist der Anschlag 13 mittels ei­ ner Spule 50 verschiebbar, die im Ventilkörper 6 angeordnet und an die Steuereinheit 4 angeschlossen ist. Der Anschlag 13 hat ebenfalls einen im Ventilkörper 6 geführten Buchsenteil 51 mit einem endseiti­ gen, radial nach außen gerichteten Flansch 52. Durch Bestromen der Spule 50 kann dieser Anschlag 13 in jede gewünschte Lage verscho­ ben werden. So kann er in eine Lage gebracht werden, in der der Kolben 12 bei geschlossenen Steuerventil 3 eine größere Überdeckung der Ventilsteuerkanten und damit eine Reduzierung der Öl­ leckage erreicht wird. Um eine Beeinflussung der Einspritzung des Kraftstoffes zu vermeiden, kann der Anschlag 13 kurz vor Einspritz­ beginn wieder in seine ursprüngliche Position nach außen verscho­ ben werden.

Um den Kolben 12 bei geschlossenem Steuerventil 3 in unterschied­ liche Lagen zu bringen, ist lediglich der Anschlag 13 axial verstellbar vorgesehen. Der gegenüberliegende Anschlag 14 ist im Gegensatz zum vorigen Ausführungsbeispiel ortsfest angeordnet, läßt sich also nicht verstellen. In der Ruhelage des Kolbens 12 beigeschlossenem Steuerventil 3 hat der Kolben 12 Abstand vom Anschlag 14, so daß der Kolben 12 für den Einspritzvorgang in Richtung auf den Anschlag 14 in gewünschtem Maße durch Bestromen der Spulen 10 bzw. 11 verschoben werden kann.

Wie Fig. 6 zeigt, ist es aber auch möglich, beide Anschläge 13, 14 axial verstellbar vorzusehen. In diesem Falle sind im Ventilkörper 6 die zwei Spulen 46 und 50 vorgesehen, mit denen die Anschläge 13, 14 in gewünschtem Maße verstellt werden können. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel ist somit eine Kombination der Variation des Kol­ benanschlages bei geöffnetem und bei geschlossenem Steuerventil 3 gewährleistet.

Fig. 7 zeigt in schematischer Darstellung einen Teil des Kolbens 12 des Steuerventiles 3. Dargestellt ist eine Position des Kolbens 12, in der er einen Öffnungsquerschnitt 53 (schraffierter Bereich) einer Boh­ rung freigibt. Diese Bohrung hat in Verschieberichtung 54 des Kol­ bens 12 konstante Breite, so daß durch Verschieben des Kolbens 12 eine stetige Vergrößerung des Öffnungsquerschnittes 53 erfolgt. Bei einer solchen Ausbildung der Öffnung ist eine Beeinflussung der Weg-Volumen-Kennlinie des Steuerventiles 3 nicht möglich.

Fig. 8 zeigt die Möglichkeit, diese Kennlinie durch eine besondere Formgestaltung der Bohrung zu beeinflussen. Sie hat T-förmigen Querschnitt. Befindet sich der Kolben 12 in der in Fig. 8 dargestellten Lage, überdeckt er den breiteren Teil 55 der Bohrung und gibt ledig­ lich den schmaleren Öffnungsquerschnitt 56 (schraffierter Bereich) frei. Dadurch wird zunächst nur eine kleine Menge an Hydraulikmedium gefördert. Sobald die Steuerkante 57 des Kolbens 12 in den Be­ reich des wesentlich breiteren Öffnungsquerschnitts 55 gelangt, wird schlagartig die Durchflußmenge des Hydraulikmediums vergrößert.

Mit den beschriebenen Steuerventilen 3 ist die Steuerung kleinster Einspritzmengen für die Voreinspritzung und gegebenenfalls für die Nacheinspritzung ohne nachteilige Beeinflussung der Haupteinsprit­ zung möglich. Durch Verstellen des Kolbens 12 bei geschlossenem Steuerventil 3 können die Leckageverluste verringert werden. Die Verstellung der Anschläge kann bei jedem beliebigen Ventil erfolgen. Die Anschläge lassen sich stufenlos in jede gewünschte Lage ver­ stellen, so daß das Steuerventil 3 für die unterschiedlichsten Erfor­ dernisse ausgelegt werden kann. Das beschriebene Steuerventil kann überall dort eingesetzt werden, wo veränderliche Öffnungsquer­ schnitte erforderlich sind, beispielsweise bei Nockenwellenverstell­ einrichtungen.

Claims (12)

1. Steuerventil, insbesondere für Einspritzvorrichtungen für Ver­ brennungsmaschinen, vorzugsweise Dieselmotoren, mit einem Gehäuse, in dem wenigstens ein Kolben verstellbar ist und das Anschläge für den Kolben aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der eine Anschlag (13, 14) axial verstellbar ist.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (13, 14) als Anker ausgebildet ist, der durch Bestromen einer Spule (46, 50) ver­ stellbar ist.

3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (13, 14) einen Buchsenteil (47, 51) aufweist, mit dem er im Gehäuse (6) geführt ist.

4. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (13, 14) endseitig einen radial abstehenden Flansch (49, 52) aufweist.

5. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Anschläge (13, 14) verstell­ bar sind.

6. Steuerventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (46, 50) den Buchsenteil (47, 51) des Anschlages (13, 14) umgibt.

7. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (13, 14) stufenlos verstellbar ist.

8. Steuerventil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (49, 52) an dem vom Kolben (12) abgewandten Ende des Buchsenteils (47, 51) vor­ gesehen ist.

9. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (13, 14) über eine Steuereinheit (4) gesteuert verstellbar ist.

10. Steuerventil nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschlag (13) bei ge­ schlossenem Steuerventil (3) zur Einstellung einer Überdeckung der Ventilsteuerkanten verstellbar ist.

11. Steuerventil nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Anschlag (14) bei ge­ öffnetem Steuerventil (3) zur Einstellung des Durchflußquer­ schnittes für das Hydraulikmedium verstellbar ist.

12. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Volumen- Weg-Kennlinie des Steuerventils (3) die Anschlußbohrung (A, B) in Verschieberichtung (54) des Kolbens (12) unterschiedliche Breite hat.