AT501668B1 - Steuerventil für eine einspritzdüse - Google Patents

Description

2 AT 501 668 B1

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil für eine Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoffen in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer in einer Injektordüse axial verschieblichen Düsennadel, welche in einen mit Kraftstoff unter Druck speisbaren Steuerraum eintaucht, dessen Druck über das wenigstens einen Zu- oder Ablaufkanal für Kraftstoff öffnende 5 oder schließende Steuerventil steuerbar ist.

Steuerventile von Injektoren für Commonrailsysteme zum Einspritzen von Kraftstoffen mit hoher Viskosität in den Brennraum von Brennkraftmaschinen sind in unterschiedlicher Ausbildung bekannt. Im Fall von Schweröl ist eine Erwärmung auf bis zu 150°C erforderlich, um die not-io wendige Einspritzviskosität zu erreichen. Bei hohem Anteil an abrasiv wirkenden Feststoffen und hoher Temperatur steigt naturgemäß der Veschleiß und beeinträchtigt damit die Betriebssicherheit.

Grundsätzlich hat ein Injektor für ein Commonraileinspritzsystem verschiedene Teile, welche in 15 aller Regel durch eine Düsenspannmutter zusammengehalten werden. Die eigentliche Injektordüse enthält eine Düsennadel, welche im Düsenkörper der Injektordüse axial verschieblich geführt ist und mehrere Freiflächen aufweist, durch welche aus dem Düsenvorraum Kraftstoff zur Nadelspitze strömen kann. Die Düsennadel selbst trägt einen Bund, an welchem sich eine Druckfeder abstützt, und taucht in einen Steuerraum ein, welcher mit Kraftstoff unter Druck 20 beaufschlagbar ist. An diesen Steuerraum kann ein Zulaufkanal über eine Zulaufdrossel und ein Ablaufkanal über eine Ablaufdrossel angeschlossen sein, wobei der jeweilige im Steuerraum aufgebaute Druck gemeinsam mit der Kraft der Druckfeder die Düsennadel in der Schließstellung hält. Der Druck im Steuerraum kann von einem Steuerventil kontrolliert werden, welches zumeist von einem Elektromagneten betätigt wird. Bei entsprechender Beschaltung kann ein 25 Öffnen des Steuerventils einen Abfluss des Kraftstoffes über eine Drossel bewirken, sodass ein Absinken der hydraulischen Haltekraft auf die in den Steuerraum eintauchende Stirnfläche der Düsennadel zum Öffnen der Düsennadel führt. Auf diese Weise kann in der Folge der Kraftstoff durch die Einspritzöffnungen in den Brennraum des Motors gelangen. 30 Neben einer Ablaufdrossel ist auch meist eine Zulaufdrossel vorgesehen, wobei die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel durch den Durchflussunterschied zwischen Zu- und Ablaufdrossel bestimmt wird. Wenn das Steuerventil geschlossen wird, wird der Ablaufweg des Kraftstoffes durch die Ablaufdrossel gesperrt und über die Zulaufdrossel neuerlich Druck im Steuerraum aufgebaut und das Schließen der Düsennadel bewirkt. 35

Im Zusammenhang mit dem Steuerventil ist aus der DE 19738351 A1 bereits eine Ausbildung eines Kraftstoffeinspritzventils für ein Speichereinspritzsystem bekannt geworden, bei welchem ein Kugelbauteil gegen eine ebene Fläche einer Platte gehalten wird und damit eine Bohrung dicht verschließt und bei Aktivierung einer elektromagnetischen Spule öffnet Durch eine be-40 sondere konstruktive Gestaltung der Kontaktpartner und durch Verwendung von besonders abriebfesten Werkstoffen kann die Lebensdauer der Anordnung erhöht werden. Der Ventilsitz des Steuerventils ist somit beim Gegenstand der DE 19738351 in einer gesonderten Platte ausgebildet. 45 Der EP 1184563 A ist ebenfalls ein Einspritzinjektor zu entnehmen, wobei sich die Ablaufdrossel in einer Zwischenplatte befindet, welche gleichzeitig die Kontaktfläche für die Ventilkugel des Steuerventils darstellt. Der Nachteil einer derartigen Anordnung liegt darin, dass bei einem Verschleißen dieser Kontaktfläche die gesamte Zwischenplatte ausgetauscht werden muss. so Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Ausbildung eines derartigen Steuerventiles zu schaffen, welches auch bei hohen Temperaturen und auch bei hochviskosen Ölen sowie einem hohen Anteil an abrasiv wirkenden Feststoffen im Kraftstoff störungsunanfällig bleibt und auch unter extremen Bedingungen eine erhöhte Zuverlässigkeit aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Ausbildung so getroffen, dass der Ventilsitz des Ventils in einer vom Ventilkörper gesonder-55 ten Ventilbüchse aus verschleißfestem Material angeordnet ist. Dadurch, dass eine gesonderte 3 AT 501 668 B1

Ventilbüchsö zum Einsatz gelangt, wobei ein derartiger gesonderter Bauteil, nämlich die Ventilbüchse, in. einem entsprechend freigestellten Raum des Ventilkörpers positioniert werden kann, wird es möglich eine derartige Ventilbüchse im Rahmen von Servicearbeiten bei übermäßigem Verschleiß am Ventilsitz in einfacher Weise zu tauschen und ggf. gemeinsam mit der entspre-5 chenden Ventilnadel zu ersetzen.

Prinzipiell kann die gesonderte Ventilbüchse in den Ventilkörper eingepresst werden. In besonders vorteilhafter Weise ist die Ausbildung jedoch so getroffen, dass die gesonderte Ventilbüchse schwimmend in einem Raum des Ventilkörpers gelagert ist, wodurch sich auch eine beson-io ders leichte Austauschbarkeit ggf. verschlissener Bauteile ergibt.

Eine derartige Ventilbüchse erlaubt die Anordnung einer Reihe von zusätzlichen Steuerkanälen in dem die Ventilbüchse tragenden Ventilkörper, ohne dass es zu unerwünschten Materialschwächungen kommt. In besonders vorteilhafter Weise ist die Ausbildung zu diesem Zwecke 15 so getroffen, dass die Ventilbüchse an ihren Zylinderaußenflächen oder den Stirnflächen Nuten oder Anfasungen unter Ausbildung von Kanälen zu einer Ablauf- und/oder Zulaufdrossel für Kraftstoff in oder aus dem Steuerraum aufweist, wodurch eine Reihe zusätzlicher Funktionen über die auf diese Weise ausgebildeten Kanäle zur Verfügung stehen. Beispielsweise kann die Ausbildung in diesem Falle so getroffen sein, dass die Ventilnadel an ihrem Mantel Nuten oder 20 Rillen trägt, welche mit an den Mantel der Ventilnadel mündenden Stichleitungen Zusammenwirken, wobei eine derartige Stichleitung der Kühlung und Schmierung durch Motoröl dienen kann. Ebenso ist es aber auch möglich Leckkraftstoff in einen drucklosen Ablauf zu führen.

Neben der geeigneten Materialwahl für den Ventilsitz und der Möglichkeit im Verschleißfalle die 25 verschlissenen Teile in einfacher Weise tauschen zu können, kann die Standzeit und damit Betriebssicherheit nämlich auch dadurch erhöht werden, dass für eine entsprechende Kühlung und eine Spülung gesorgt wird. Prinzipiell kann für eine derartige Kühlung eine weitere Flüssigkeit herangezogen werden, wobei bevorzugt ein Schmieröl zum Einsatz gelangt, wie es üblicherweise auch als Motoröl verwendet wird. Eine entsprechende Führung von Schmiermittelka-30 nälen durch den Düsengrundkörper führt zu einer grundsätzlichen Kühlung des Injektors, wobei besonders exponierte Bauteile wie beispielsweise die Führung der Ventilnadel im Ventilkörper in besonders vorteilhafter Weise von einem derartigen Kühlmittel gespült werden können. Wie breits erwähnt, ist zu diesem Zweck die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, dass an der mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilnadel eine Stichleitung mit Schmieröl, insbesondere 35 Motoröl mündet. Mittels eines derartigen an den Außenumfang der Ventilnadel geführten Schmieröls gelingt es nun nicht nur die Ventilnadel zu kühlen sondern gleichzeitig auch durch entsprechende Gestaltung an der Außenseite der Ventilnadel die Führung der Ventilnadel im Ventilkörper zu spülen, um allfällige Ablagerungen von Verunreinigungen im Schweröl wiederum wegzuspülen. Das zum Einsatz gelangende Motoröl dient somit nicht nur der Kühlung emp-40 findlicher Bauteile sondern gleichzeitig auch der Spülung der Ventilnadel im Ventilkörper.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 und 2 den grundsätzlichen Aufbau eines Injektors gemäß dem Stand der Technik, Fig. 3 einen Schnitt durch eine erste erfin-45 dungsgemäße Ausbildung des Steuerventiles, Fig. 4 eine Darstellung des Injektors mit einem erfindungsgemäßem Steuerventil und Kanälen für die Kühlung des Injektors, Fig. 5 einen Schnitt durch den Ventilkörper mit eingepresster Ventilbüchse, Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung des Steuerventiles wie es auch in Fig. 4 Verwendung findet und Fig. 7 die Ausbildung des Ventilkörpers mit einer schwimmenden Ventilbüchse für das Steuerventil. 50

In Fig. 1 ist ein Injektor 1 dargestellt, welcher einen Injektorkörper 2, einen Ventilkörper 3, eine Zwischenplatte 4 und eine Injektordüse 5 aufweist. Alle diese Bauteile werden durch eine Düsenspannmutter 6 zusammengehalten. Die Injektordüse 5 enthält hiebei eine Düsennadel 7, welche im Düsenkörper der Injektordüse 5 längsverschieblich geführt ist und mehrere Freiflä-55 chen aufweist, durch welche aus einem Düsenvorraum 8 Kraftstoff zur Nadelspitze strömen 4 AT 501 668 B1 kann. Bei einer Öffnungsbewegung der Düsennadel 7 wird Kraftstoff über mehrere Einspritzöffnungen 9 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.

An der Düsennadel 7 ist ein Bund ersichtlich, an welchem eine Druckfeder 10 abgestützt ist. 5 Das andere Ende der Druckfeder 10 ist an einer Steuerhülse 11 abgestützt, welche selbst wiederum an der Unterseite der Zwischenplatte 4 anliegt. Die Steuerhülse 11 definiert mit der oberen Stirnfläche der Düsennadel 7 und der Unterseite der Zwischenplatte 4 einen Steuerraum 12. Der im Steuerraum 12 herrschende Druck ist für die Steuerung der Bewegung der Düsennadel maßgeblich. Über eine in Fig. 2 ersichtliche Kraftstoffzulaufbohrung 13 wird der io Kraftstoffdruck einerseits im Düsenvorraum 8 wirksam, wo er über eine Druckschulter der Düsennadel 7 eine Kraft in Öffnungsrichtung der Düsennadel 7 ausübt. Andererseits wirkt dieser Kraftstoffdruck über den Zulaufkanal 14 und die Zulaufdrossel 15, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, im Steuerraum 12 und hält unterstützt von der Kraft der Druckfeder 10 die Düsennadel 7 in ihrer Schließstellung. 15

Wenn in der Folge ein Elektromagnet 16 angesteuert wird, wird ein Magnetanker 17 sowie eine mit dem Magnetanker 17 verbundene Ventilnadel 18 angehoben und ein Ventilsitz 19 geöffnet. Der Kraftstoff aus dem Steuerraum 12 kann auf diese Weise durch eine Ablaufdrossel 20 und den offenen Ventilsitz 19 in einen drucklosen Ablaufkanal 21 abströmen. Das auf diese Weise 20 bewirkte Absinken der hydraulischen Kraft auf die obere Stirnfläche der Düsennadel 7 führt zu einem öffnen der Düsennadel 7. Der Kraftstoff aus dem Düsenvorraum gelangt auf diese Weise durch die Einspritzöffnungen 9 in den Brennraum des Motors. Bei geöffnetem Zustand der Injektordüse 5 fließt gleichzeitig Hochdruckkraftstoff durch die Zulaufdrossel 15 in den Steuerraum 12 zu und über die Ablaufdrossel 20 eine etwas größere Menge ab. Die sogenannte 25 Steuermenge wird drucklos in den Ablaufkanal 21 abgeführt und zusätzlich zur Einspritzmenge aus dem Commonrail entnommen. Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 7 wird durch den Durchflussunterschied zwischen Zulaufdrossel 15 und Ablaufdrossel 20 bestimmt.

Sobald der Elektromagnet 16 abgeschaltet wird, wird der Magnetanker 17 durch die Kraft einer 30 Druckfeder 22 nach unten gedrückt und die Ventilnadel 18 an den Ventilsitz 19 gepresst. Auf diese Weise wird der Ablaufweg des Kraftstoffes durch die Ablaufdrossel 20 gesperrt. Über die Zulaufdrossel 15 wird im Steuerraum 12 wieder Kraftstoffdruck aufgebaut und erzeugt eine zusätzliche Schließkraft, welche die hydraulische Kraft auf die Druckschulter der Düsennadel 7, vermindert um die Kraft der Druckfeder 10, übersteigt. Die Düsennadel 7 verschließt den Weg 35 zu den Einspritzöffnungen 9, wodurch der Einspritzvorgang beendet wird.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführung eines Injektors ist prinzipiell für Kraftstoffe niedriger Viskosität geeignet. Bei hochviskosen Kraftstoffen ist eine Vorwärmung erforderlich, welche Aufheiztemperaturen eines Kraftstoffes auf bis zu 150°C erfordert. Weiters haben hochvis-40 kose Kraftstoffe meist auch einen höheren Anteil an Verunreinigungen, wobei zusätzlich zu der erforderlichen Erwärmung des Kraftstoffes eine Erwärmung des Magnetventiles durch den Steuerstrom zu einer übermäßigen Aufheizung und möglichen Zerstörung des Bauelementes führt. Kraftstoffverunreinigungen würden nach kurzer Zeit zu einem Klemmen der Ventilnadel und zu einem übermäßigen Verschleiß der Ventilnadel und des Ventilsitzes führen. 45

Um diesem Nachteil zu begegnen, wurde die in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Ausbildung des Steuerventiles geschaffen. Der Ventilsitz ist hier in einer Ventilbüchse 23 angeordnet, die in einem zylindrisch freigestellten Raum 24 des Ventilkörpers 3 untergebracht ist. Die Ventilbüchse 23 kann hiebei entweder in den Ventilkörper 3 eingepresst sein, wie dies im folgenden so bei der Darstellung nach Fig. 5 noch näher erläutert wird, oder aber zwischen der Fläche 25 im Ventilkörper 3, die den Raum 24 nach oben begrenzt und der oberen Stirnfläche der Zwischenplatte 4 schwimmend geführt sein. In einem derartigen Fall erfolgt die Zentrierung durch einen Kegel 26 am unteren Ende der Ventilnadel 18. Dieser Kegel 26 wird auf den Ventilsitz in der Ventilbüchse 23 gepresst, wobei die schwimmende Ventilbüchse 23 aufgrund der auf sie ein-55 wirkenden hydraulischen Kräfte auch in geöffnetem Zustand des Ventils stets in Kontakt mit der

Claims (5)

1. 5 AT 501 668 B1 Zwischepplätte gehalten wird. Die Ventilbüchse 23 kann aus besonders verschleißfestem Hartmetall ausgeführt sein, wobei dann, wenn übermäßiger Verschleiß am Ventilsitz 19 der Ventilbüchse 23 festgestellt wird, ein 5 kostengünstiger Ersatz gemeinsam mit der Ventilnadel 18 möglich ist. Wie bereits erwähnt, ist bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen eine Aufwärmung des Kraftstoffes erforderlich, wobei zusätzliche Wärmebelastungen auf die Commonrailinjekto-ren wirksam werden. Neben dem bereits zur Herabsetzung der Viskosität auf bis zu 150°C io vorgewärmten Kraftstoff, erfährt die in den Brennraum ragende Düsenspitze eine Aufheizung durch die heißen Verbrennungsgase. Auch der Steuerstrom für das Magnetventil bewirkt eine weitere Erwärmung. Wie in Fig. 4 ersichtlich, ist in diesem Falle in besonders vorteilhafter Weise eine Kühlung vorgesehen, wobei der Injektor ständig mit Motoröl durchspült wird. Die Spülkanäle im Injektor sind in Fig. 4 schwarz dargestellt, wobei das Motoröl über diese Kanäle in 15 den Bereich der Düsenspitze und in eine Kammer 29 des Ventilkörpers 3 gelangt, in welcher sich auch der Magnetanker 17 des Magnetventiles befindet. Es ist weiters ein Ringeinstich 27 ersichtlich, bei welchem im Ventilkörper 3 Motoröl auch in die Führung der Ventilnadel 18 geleitet wird und auf diese Weise diesen Bereich von allfälligen Ablagerungen und Verunreinigungen im Schweröl reinigt. 20 In Fig. 5 ist ein Ventilkörper im Schnitt dargestellt, bei welchem die Ventilbüchse 23 eingepresst ist. Kanäle zur Zuführung des Hochdruckkraftstoffes zur Zulaufdrossel 15 und zur Ableitung des Kraftstoffes über die Ablaufdrossel 20 zum Ventilsitz 19 der Ventilbüchse 23 sind in die Unterseite des Ventilkörper 3 eingearbeitet. An der zylindrischen Außenkontur der Ventilbüchse 23 25 sind mehrere Flächen angearbeitet, die gemeinsam mit Nuten an der Oberseite der Ventilbüchse 23 eine Verbindung von der Ablaufdrossel 20 über wenigstens einen von den Freiflächen gebildeten und begrenzten Ablaufkanal 28 zum Ventilsitz darstellen. In Fig. 6 ist ein Ventilkörper im Schnitt dargestellt, wobei ein Ringeinstich 27 ersichtlich ist, 30 welcher es ermöglicht, dass vom Ventilsitz 19 hochkommender Leckkraftstoff und das von oben an der Ventilnadel 18 entfangleckende Motoröl in einen drucklosen Ablauf geführt werden. In Fig. 7 ist der Schnitt eines Ventilkörpers mit schwimmender Ventilbüchse dargestellt. Die Kraftstoffführung von der Ablaufdrossel zum Ventilsitz der Ventilbüchse erfolgt hier über einen 35 hohlzylindrischen Raum zwischen Ventilkörper und schwimmender Ventilbüchse 23. Patentansprüche: 1. Steuerventil für eine Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoffen in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer in einer Injektordüse (5) axial verschieblichen Düsennadel (7), welche in einen mit Kraftstoff unter Druck speisbaren Steuerraum (12) eintaucht, dessen Druck über das wenigstens einen Zu- oder Ablaufkanal für Kraftstoff öffnende oder schließende Steuerventil (16) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz 45 (19) des Ventils (16) in einer vom Ventilkörper (3) gesonderten Ventilbüchse (23) aus ver schleißfestem Material angeordnet ist.
2. 2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesonderte Ventilbüchse (23) schwimmend in einem Raum des Ventilkörpers (3) gelagert ist. 50
3. 3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilbüchse (23) an ihren Zylinderaußenflächen und der oder den Stirnflächen Nuten oder Anfasungen unter Ausbildung von Kanälen (28) zu einer Ablauf- und/oder Zulaufdrossel (15, 20) für Kraftstoffe in oder aus dem Steuerraum (12) aufweist. 55 6 AT 501 668 B1
4. 4. Steuerventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (18) an ihrem Mantel Nuten oder Rillen trägt, welche mit an den Mantel der Ventilnadel (18) mündenden Stichleitungen (27) Zusammenwirken.
5. 5 Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 10 15 20 30 35 40 45 50 55