DE10002702A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Zulaufleitung (7) und einer Leckölleitung (8), welche jeweils mit einem Druckraum (6) in Verbindung stehen. Weiter ist ein Kolbenelement (3, 4) vorgesehen, welches mittels eines Stellelements (2) verstellbar ist und einen ersten Durchlaß (10) zwischen der Zulaufleitung (7) und dem Druckraum (6) freigibt. Das Kolbenelement (3, 4) weist ein Schieberelement (3c) auf, welches unmittelbar am Sitz des Kolbens (10) angeordnet ist. Dabei ist die Hublänge (h¶2¶) des Schieberelements (3c) zum Öffnen des ersten Durchlasses größer oder gleich der Hublänge (h¶1¶) zum Schließen eines zweiten Durchlasses (5) zwischen dem Druckraum (6) und der Leckölleitung (8).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Aus der EP-0477401 A1 ist ein Ventil bekannt, bei dem in einer Stufenbohrung des Ventilgehäuses ein Betätigungskolben eines Ventilglieds in einem Teil der Stufenbohrung mit kleinem Durchmesser verschiebbar angeordnet ist. Ein durch einen Piezoaktor bewegbarer größerer Kolben ist in einem Teil der Stufenbohrung mit größerem Durchmesser angeordnet. Zwischen den beiden Kolben ist ein mit einem Druckmedium gefüllter hydraulischer Druckraum ausgebildet, so daß eine hydraulische Übersetzung einer Bewegung des Piezoaktors erfolgt. Das heißt, wenn der große Kolben durch den Piezoaktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird, macht der Betätigungskolben des Ventilglieds einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub, da der Kolben des Piezoaktors eine größere Fläche als der Betätigungskolben des Ventilglieds aufweist.
Bei derartigen Ventilen werden auch 3/2-Steuerventile eingesetzt, wie beispielsweise in der US 5,738,075 offenbart ist. Derartige 3/2-Steuerventile können als Sitz- Schieber oder Sitz-Sitz-Ventile ausgebildet sein. Hierbei wird beispielsweise der Druck aus einem Rail mittels eines steuerbaren Kolbens über einen Druckraum und einen Übersetzerkolben zu einem Steuerraum, aus welchem der Kraftstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt wird, geführt. Hierbei ist im nichtbetätigten Zustand der Druckraum mit einer Leckölleitung verbunden, so daß im Druckraum Lecköldruck herrscht. Beim Umschalten des 3/2- Steuerventils tritt jedoch unabhängig von der Art des Ventils (Sitz-Schieber-Ventil oder Sitz-Sitz-Ventil) für eine kurze Zeit eine Verbindung zwischen dem Hockdruckbereich und dem Leckölbereich auf. Daraus resultiert ein sogenannter Absteuerstoß in die Leckölleitung. Hierdurch wird die Entlastung des Steuerraums des Ventils behindert, bis das Ventil die Öffnung zum Hochdruckbereich abgedichtet hat.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zum, Steuern von Flüssigkeiten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß ein derartiger Absteuerstoß zur Leckölleitung nicht auftritt. Dies wird durch ein Vorschalten eines Schieberelements am Sitz des Steuerventils verhindert. Das Schieberelement wird dabei in Öffnungsrichtung unmittelbar vor dem Bereich des Kolbens angeordnet, mit dem der Kolben am Ventilsitz aufsitzt. Dies ermöglicht abhängig von dem Hubweg des Schieberelements eine verzögerte Öffnung des Durchlasses zwischen Zulaufleitung und Druckraum, aber ein sofortiges Schließen des Durchlasses zwischen Zulaufleitung und Druckraum. Somit kann zu jedem Zeitpunkt beim Umschalten des Steuerventils sichergestellt werden, daß keine Verbindung zwischen Zulaufleitung und Leckölleitung besteht. Der Hubweg des Kolbens zum Öffnen der Verbindung zwischen der Zulaufleitung und dem Druckraum ist durch Vorsehen des Schieberelements zumindest gleich, vorteilhaft jedoch größer als ein Hubweg zum Schließen bzw. Öffnen eines Durchlasses zwischen dem Druckraum des Steuerventils und der Leckölleitung. Dadurch kann vorteilhaft der Absteuerstoß in die Leckölleitung verhindert werden. Weiterhin vorteilhaft wird beim Umschalten des Steuerventils die Entlastung des Steuerraums nicht mehr behindert, da infolge des Schieberelements sofort eine Abdichtung zum Hochdruckbereich erfolgt.
In einer besonders vorteilhaften Weise ist das Schieberelement des Kolbens zylinderförmig ausgebildet. Hierdurch kann zum einen eine einfache Herstellung des Schieberelements erreicht werden, andererseits wird dadurch insgesamt ein einfacher Aufbau des Steuerventils ermöglicht.
In vorteilhafter Weise ist der Kolben des Steuerventils zweiteilig ausgestaltet. Dadurch läßt sich ein Sitz- Schieber-Ventil mit einem dazwischen angeordneten Druckraum verwirklichen. Besonders vorteilhaft ist das Steuerventil dabei als kraftausgleichendes Ventil aufgebaut. Dabei entspricht der Führungsdurchmesser am Ventilsitz dem Durchmesser des Schieberelements.
Weiter vorteilhaft ist der Kolben des Steuerventils einstückig ausgebildet. Dadurch kann ein 3/2-Sitz-Schieber- Ventil als ein Auslaßventil eingesetzt werden.
Bevorzugt wird das Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten als 3/2-Sitz-Schieber-Ventil oder als 3/2-Sitz-Sitz-Ventil ausgebildet werden.
Insgesamt kann somit mit dem erfindungsgemäßen Ventil eine eindeutige Funktion eines Steuerventils ohne Absteuerstoß aus dem Hochdruckzulaufbereich in die Leckölleitung erreicht werden. Durch Variation der Hublängen bzw. Hubwege des Schieberelements am Ventilsitz bzw. der Hublänge zum Schließen/Öffnen der Verbindung zur Leckölleitung kann die Überdeckung am Leckölschieberelement optimiert werden. Hierbei kann je nach Anwendungszweck ein aus den jeweiligen Hublängen optimales Schieberverhältnis gebildet werden. Hierbei sollte die Überdeckung so gewählt werden, daß keine nennenswerten Verzögerungen des Ventils auftreten, jedoch sichergestellt ist, daß kein Absteuerstoß in die Leckölleitung auftritt.
Zeichnung
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Ausführungsbeispiele werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 eine schematische Teilschnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel findet das erfindungsgemäße Ventil Anwendung in einem druckübersetzten Common-Rail-Injector. Das erfindungsgemäße Ventil ist hierbei als ein 3/2-Sitz-Schieber-Steuerventil 1 ausgebildet.
In Fig. 1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei umfaßt das Kraftstoffeinspritzventil das 3/2-Steuerventil 1. Das Steuerventil 1 besteht aus einem Stellelement 2 sowie einem ersten Kolben 3 und einem zweiten Kolben 4. Als Stellelement 2 kann beispielsweise ein bekannter Magnetsteller oder ein bekannter Piezosteller verwendet werden.
Der erste Kolben 3 besteht aus mehreren Kolbenabschnitten 3a bis 3e. Ein erster Kolbenabschnitt 3a ist zylinderförmig ausgebildet und steht mit dem Stellelement 2 in Verbindung. Daran schließt sich ein zweiter Kolbenabschnitt 3b an, welcher konkav ausgebildet ist und bei entsprechender Stellung des Kolbens 3 einen ersten Durchlaß 10 am Ventilsitz freigibt. Anschließend an den zweiten Kolbenabschnitt 3b folgt der als Schieberelement 3c ausgebildete dritte Kolbenabschnitt. Der dritte Kolbenabschnitt 3c ist direkt am Ventilsitz bzw. am ersten Durchlaß 10 angeordnet. Weiterhin umfaßt der Kolben 2 noch einen sich erweiternden vierten Kolbenabschnitt 3d sowie einen weiteren zylindrischen fünften Kolbenabschnitt 3e. Der fünfte Kolbenabschnitt 3e steht mit einem zwischen dem ersten Kolben 3 and dem zweiten Kolben 4 angeordneten Druckraum 6 in Verbindung.
Der zweite Kolben 4 besteht aus einem Schieberelement 4a sowie einem Grundkörper 4b. Bei nichtbetätigtem Steuerventil 1 wird der Kolben 4 durch eine Feder 9 in Offenstellung gehalten, so daß ein zweiter Durchlaß 5 zwischen dem Druckraum 6 und einer Leckölleitung 8 offen ist. Dadurch herrscht im nichtbetätigten Zustand im Druckraum 6 der Lecköldruck.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Steuerventil 1 ist ein Führungsdurchmesser d1 am ersten Kolben 3 gleich einem Schieberdurchmesser d2 am zweiten Kolben 4. Somit ist das Steuerventil 1 als ein kraftausgleichendes Ventil aufgebaut.
Weiter steht der Druckraum 6 über eine Leitung 19 mit einem Übersetzerkolben 11 in Verbindung. Der mehrstufig ausgestaltete Übersetzerkolben 11 wird über eine Rückstellfeder 12 in seiner Ausgangsposition gehalten und steht mit seinem kleinerem Kolbendurchmesser mit einem Steuerraum 15 in Verbindung. Der Steuerraum 15 wird über ein Befüllungsventil 13 und eine Kraftstoffleitung 14 mit Kraftstoff befüllt. Der Kraftstoff wird über eine mittels einer Feder 17 vorgespannten Einspritzdüse 16 in einen nicht dargestellten Verbrennungsraum abgegeben.
Nachfolgend wird die Wirkungsweise des Kraftstoffeinspritzventils beschrieben. Bei Betätigung des Stellelements 2 wird der Kolben 3 in Richtung des Druckraums 6 von seinem Ventilsitz fortbewegt. Beim Öffnen des Sitzes wird jedoch nicht sofort eine Verbindung zwischen der Zulaufleitung 7 aus dem Rail zum Druckraum 6 hergestellt, sondern es muß zuerst eine Schieberhöhe h2 des Schieberelements 3c überwunden werden, bevor diese Verbindung hergestellt ist. Infolge der Bewegung des Kolbens 3 in Richtung des Druckraums 6 wird der Kolben 4 entgegen der Federkraft der Feder 9 geschlossen. Dabei muß eine Hublänge h1 am Schieberelement 4 überwunden werden. Da erfindungsgemäß die Hublänge h2 des Schieberelements 3c größer oder wenigstens gleich der Hublänge h1 am Kolben 4 ist, ist somit sichergestellt, daß keine Verbindung zwischen der Zulaufleitung 7, in welcher Hochdruck herrscht, und der Leckölleitung 8 auftritt.
Wenn der Kolben 3 die Hublänge h2 in Richtung des Druckraums 6 zurückgelegt hat, steht der Druckraum 6 mit der Hochdruckzulaufleitung 7 in Verbindung, so daß entgegen der Kraft der Rückstellfeder 12 ein hoher Druck am Übersetzerkolben 11 anliegt. Dieser hohe Druck wird infolge der unterschiedlichen Durchmesser des Übersetzerkolbens 11 auf den mit Kraftstoff gefüllten Steuerraum 15 übertragen.
Dadurch wird über die an der Einspritzdüse 16 vorgesehene Druckschulter 18 die Kraft der Feder 17 überwunden und der Kraftstoff wird in den nicht dargestellten Brennraum eingespritzt.
Beim Rückstellen des Steuerventils 1 wird infolge der Hublänge des Schieberelements 3c die Verbindung zwischen der Zulaufleitung 7 und dem Druckraum 6 sofort unterbrochen, während der zweite Durchlaß 5 noch aufgrund des hohen Drucks im Druckraum 6 durch das Schieberelement 4a verschlossen ist. Erst wenn die Federkraft der Feder 9 größer als der Druck im Druckraum 6 wird, öffnet das Schieberelement 4a des Kolbens 4 den Durchlaß 5, so daß eine Verbindung zwischen dem Druckraum 6 und der Leckölleitung 8 freigegeben wird.
Somit ist immer eine eindeutige Funktion des Steuerventils 1 sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen gewährleistet, ohne daß ein Absteuerstoß aus dem Druckraum 6 in die Leckölleitung 8 auftritt. Durch das Vorschalten des Schieberelements 3c in Öffnungsrichtung vor dem eigentlichen Öffnungsabschnitt 3d des Kolbens 3 können somit die im Stand der Technik vorhandenen Nachteile beseitigt werden. Weiterhin kann durch das Schieberverhältnis h2/h1 eine Überdeckung am Kolben 4 je nach Anwendung optimiert werden. In der Regel wird die Überdeckung (h2 - h1) verlängert werden (d. h. größer als 0 sein), um sicherzustellen, daß kein Leckölstoß auftritt.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten dargestellt. Dieses Steuerventil 1 kann ebenfalls bei einem Kraftstoffeinspritzventil eingesetzt werden. Da das Kraftstoffeinspritzventil des zweiten Ausführungsbeispiels im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel nur Änderungen am Steuerventil 1 aufweist, ist auf eine Darstellung der weiteren Teile des Kraftstoffeinspritzventils in der Fig. 2 und in der nachfolgenden Beschreibung verzichtet worden, da diese genau wie im erste Ausführungsbeispiel ausgebildet sind. Weiterhin werden im zweiten Ausführungsbeispiel für gleichartige Teile gleiche Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel verwendet.
Das Steuerventil 1 des zweiten Ausführungsbeispiels weist im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel nur einen Kolben 3 auf. Der Kolben umfaßt mehrere Kolbenabschnitte 3a bis 3e. Der Kolben 3 weist ebenfalls einen ersten zylinderförmigen Kolbenabschnitt 3a und einen zweiten Kolbenabschnitt 3b auf, welcher konkav gebildet ist. An den zweiten Kolbenabschnitt 3b schließt sich ein Schieberelement 3c an, welches unmittelbar am Ventilsitz angeordnet ist. Weiter umfaßt der Kolben 3 einen vierten, sich verjüngenden Kolbenabschnitt 3d sowie einen fünften, zylinderförmigen Kolbenabschnitt 3e, welcher mit einem Stellelement 2 in Verbindung steht. Der Kolben 3 ist teilweise in einem Druckraum 6 angeordnet und öffnet/schließt die Verbindung zwischen einer Zulaufleitung 7 aus einem Rail und einem mit dem Druckraum 6 über eine Leitung 19 in Verbindung stehenden Übersetzerkolben (nicht dargestellt). Weiterhin umfaßt das Steuerventil 1 auch eine Leckölleitung 8.
Die Wirkungsweise des Steuerventils 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist wie folgt. Wenn das Stellelement betätigt wird, wird der Kolben 3 in Richtung des Stellelements 2 bewegt. Dadurch hebt der vierte, sich verjüngende Kolbenabschnitt 3d vom Kolbensitz an dem ersten Durchlaß 10 ab. Da jedoch im Anschluß an den zweiten Kolbenabschnitt 3b unmittelbar das Schieberelement 3c angeordnet ist, wird die Verbindung 10 zwischen der Hochdruckzulaufleitung 7 und dem Druckraum 6 erst geöffnet, wenn die dem zweiten Kolbenabschnitt 3b zugewandte Kante des Schieberelements 3c am Ventilsitz 10 vorbeigeführt worden ist.
Da, wie in Fig. 2 dargestellt, die Hublänge h2 des Schieberelements 3c größer ist als die am zweiten Durchlaß 5 vorgesehene Hublänge h1 zwischen dem ersten Kolbenabschnitt 3a und dem zweiten Kolbenabschnitt 3b, wird sichergestellt, daß die Verbindung zwischen dem Druckraum 6 und der Leckölleitung 8 geschlossen wird, bevor die Verbindung über den ersten Durchlaß 10 zwischen der Zulaufleitung 7 und dem Druckraum 6 geöffnet wird. Beim Schließen des Steuerventils 1 wird zuerst die Verbindung zwischen der Zulaufleitung 7 und dem Druckraum 6 geschlossen, bevor der Durchlaß 5 zwischen dem Druckraum 6 und der Leckölleitung 8 geöffnet wird.
Somit wird auch beim zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel beim Umschalten des Steuerventils 1 ein Absteuerstoß in die Leckölleitung 8 in sicherer Weise verhindert. Weiterhin kann je nach Einsatzzweck die gewünschte Überdeckung (h1 - h2) durch das Verhältnis der Hublänge h2 des Schieberelements 3c zur Hublänge h1 am zweiten Durchlaß 5 eingestellt werden.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims (7)

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Zulaufleitung (7) und einer Leckölleitung (8), welche jeweils mit einem Druckraum (6) in Verbindung stehen, und mit einem Kolbenelement (3, 4), welches durch ein Stellelement (2) verstellbar ist und einen ersten Durchlaß (10) zwischen der Zulaufleitung (7) und dem Druckraum (6) freigibt bzw. verschließt, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenelement (3, 4) ein Schieberelement (3c) aufweist, welches unmittelbar am Sitz des Kolbenelements angeordnet ist, wobei das Schieberelement (3c) eine Hublänge (h2) zum Öffnen des ersten Durchlasses (10) aufweist, welche größer oder gleich einer Hublänge (h1) zum Schließen des zweiten Durchlasses ist.
2. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schieberelement (3c) zylinderförmig ausgebildet ist.
3. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenelement einen ersten Kolben (3) und einen zweiten Kolben (4) umfaßt.
4. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenelement (3) einstückig ausgebildet ist.
5. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil als 3/2-Sitz-Schieber-Ventil ausgebildet ist.
6. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil als 3/2-Sitz-Sitz-Ventil ausgebildet ist.
7. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil als kraftausgleichendes Ventil ausgebildet ist.
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