DE10039215A1 - Sitzventilanordnung, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Verbrennungsmaschine - Google Patents

Abstract

Es wird eine Sitzventilanordnung, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine, vorgeschlagen, mit mindestens einer zwischen einem Zuströmbereich und einem Abströmbereich angeordneten, zu einer Achse (26) zentrischen Ringsitzfläche (46) und einem längs der Achse (26) in und außer Dichteingriff mit einem Dichtbereich (46a) der Ringsitzfläche (46) bewegbaren Sitzelement (30), wobei die Ringsitzfläche (46) bei Betrachtung in einem Axiallängsschnitt schräg geneigt zu der Achse (26) verläuft. Erfindungsgemäß verläuft die Ringsitzfläche (46) bei Betrachtung in dem Axiallängsschnitt auf der Seite des Zuströmbereichs im Anschluß an den Dichtbereich (46a) konvex gekrümmt. Dies erlaubt einen sehr raschen Anstieg des Durchflusses bei Beginn des Abhebens des Sitzelements (30) von der Ringsitzfläche (46) (Figur 2).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sitzventilanordnung, insbeson­ dere für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Verbrennungs­ maschine, mit mindestens einer zwischen einem Zuströmbe­ reich und einem Abströmbereich angeordneten, zu einer Achse zentrischen Ringsitzfläche und einem längs der Achse in und außer Dichteingriff mit einem Dichtbereich der Ringsitzflä­ che bewegbaren Sitzelement, wobei die Ringsitzfläche bei Betrachtung in einem Axiallängsschnitt schräg geneigt zu der Achse verläuft.

Insbesondere, aber nicht nur in Kraftstoffeinspritzsystemen wird regelmäßig eine hohe Dynamik bei Ventilschaltvorgängen angestrebt. Bei einer aus der Praxis bekannten gattungsge­ mäßen Sitzventilanordnung mit Kugelsitzelement verläuft die Ringsitzfläche bei Betrachtung in einem Axiallängsschnitt geradlinig schräg zu der Achse und weist am Übergang zum Zuströmbereich ein Kante auf.

Nachteilig ist jedoch bei dieser bekannten Sitzventilanord­ nung, daß beim Abheben des Sitzelements von der Ringsitz­ fläche unerwünschte Turbulenzen beim Durchfluß auftreten. Des weiteren weist die Durchflußrate über den Hub einen kleinen Gradienten auf, der sich negativ auf die Umschalt­ geschwindigkeit der Sitzventilanordnung auswirkt.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung schlägt für eine Sitzventilanordnung der ein­ gangs genannten Art vor, daß die Ringsitzfläche bei Be­ trachtung in dem Axiallängsschnitt auf der Seite des Zu­ strömbereichs im Anschluß an den Dichtbereich konvex ge­ krümmt verläuft.

Es hat sich gezeigt, daß durch eine solche konvexe, vor­ zugsweise im wesentlichen kreisbogenförmige Krümmung der Ringsitzfläche ein turbulenzärmerer Durchfluß beim Abheben des Sitzelements von der Ringsitzfläche erreicht werden kann. Dies in Verbindung mit dem gegenüber einer im Schnitt geradlinigen Ringsitzfläche vergößerten Anströmtrichter zwischen Sitzelement und Ringsitzfläche bewirkt beim Abhe­ ben des Sitzelements von der Ringsitzfläche einen rascheren Anstieg der Durchflußrate und damit ein schnelleres Um­ schalten der Sitzventilanordnung in den Öffnungszustand.

Ein besonders turbulenzarmes Strömungsverhalten läßt sich bei der erfindungsgemäßen Sitzventilanordnung erzielen, wenn der Übergang von der Ringsitzfläche zum Zuströmbereich im wesentlichen kantenfrei ist. Gewünschtenfalls kann die Ringsitzfläche sogar in dem Dichtbereich konvex gekrümmt verlaufen.

Vorzugsweise ist das Sitzelement als Kugelsitzelement aus­ geführt, wenngleich das Erfindungsprinzip grundsätzlich auch bei Kegelsitzelementen anwendbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sitzventilanordnung Teil eines Injektormoduls mit einer in einen Zylinderbrennraum des Verbrennungsmotors ragenden Kraftstoff-Einspritzdüse und einer die Einspritzdüse abhän­ gig vom Hydraulikdruck in einer Steuerkammer öffnenden und schließenden Düsennadel, wobei die Sitzventilanordnung in einer an die Steuerkammer angeschlossenen, mittels der Sitzventilanordnung wahlweise sperr- oder freigebbaren Druckentlastungsstrecke angeordnet ist.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Ge­ genstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeich­ nung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sitzventil­ anordnung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nach­ folgend anhand der Beschreibung näher erläutert. Es stellen dar

Fig. 1 schematisch eine Doppelsitz-Steuerventilanordnung in einem Injektormodul eines Kraftstoff-Speichereinspritz­ systems,

Fig. 2 eine Vergrößerung des Ausschnitts A der Fig. 1,

Fig. 3 einen qualitativen Verlauf einer Hub-Durchfluß- Kennlinie eines Einzelsitz-Ventils der Steuerventilanord­ nung der Fig. 1, und

Fig. 4 einen qualitativen Verlauf einer Hub-Durchfluß- Kennlinie der gesamten Steuerventilanordnung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Eine in Fig. 1 gezeigte und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete doppelsitzige Steuerventilanordnung ist in ein Injektormodul eines Diesel-Speichereinspritzsystems, welches auch als Common-Rail-Einspritzsystem bekannt ist, für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor eingebaut. Dieses Injektormodul weist in an sich bekannter Weise eine in einen Zylinderbrennraum des Verbrennungsmotors ragende, hier nicht näher dargestellte Einspritzdüse sowie eine die Einspritzdü­ se abhängig vom Druck in einer Steuerkammer 12 öffnende und schließende, hier nur zu einem kleinen Teil angedeutete Dü­ sennadel 14 auf.

In dem Injektormodul ist ein aus einem Hochdruckverteiler bzw. Rail gespeister Kraftstoffversorgungskanal 16 ausgebil­ det, über welchen die Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt wird. Von dem Kraftstoffversorgungskanal 16 ist ein stets offener, in der Regel gedrosselter Zulaufkanal 18 abge­ zweigt, über welchen Kraftstoff aus dem Kraftstoffversor­ gungskanal 16 in die Steuerkammer 12 eingeleitet wird. Ein mittels der Steuerventilanordnung 10 wahlweise sperr- oder freigebbarer Entlastungsweg 20 verbindet die Steuerkammer 12 mit einem nicht näher dargestellten Niederdruck-Ent­ lastungsraum.

Bei gesperrtem Entlastungsweg 20 stellt sich im stationären Zustand in der Steuerkammer 12 ein dem Druck im Kraftstoff­ versorgungskanal 16 entsprechender Hochdruck ein, der auf die Düsennadel 14 wirkt und zum Verschließen der Einspritz­ düse führt. Wird der Entlastungsweg 20 geöffnet, fließt Kraftstoff aus der Steuerkammer 12 ab. Der damit einherge­ hende Druckabfall in der Steuerkammer 12 bewirkt, daß die Düsennadel 14 die Einspritzdüse freigibt und Kraftstoff in den Zylinderbrennraum eingespritzt wird. Zeitpunkt und Dauer der Einspritzung können dabei vom Fachmann durch geeignete Ansteuerung der Steuerventilanordnung 10 festgelegt werden.

Zur Betätigung der Steuerventilanordnung 10 dient ein von einer elektronischen Ventilsteuereinheit 22 des Einspritzsy­ stems gesteuerter Ventilsteller 24. Dieser kann als elek­ tromagnetischer Ventilsteller ausgeführt sein. Im vorliegen­ den Fall einer doppeltschaltenden Steuerventilanordnung 10 wird jedoch ein piezoelektrischer Ventilsteller bevorzugt, der in an sich bekannter Weise einen aus einer Vielzahl übereinander gestapelter Piezomaterialschichten gebildeten Hubkörper aufweisen kann.

Der Ventilsteller 24 wirkt gewünschtenfalls unter Zwischen­ schaltung eines nicht näher dargestellten hydraulischen Hubübersetzers auf einen längs einer Hubachse 26 in dem In­ jektormodul verschiebbar geführten Stellstößel 28, der an seinem Ende ein als Kugelsitzelement ausgebildetes Ventile­ lement 30 trägt. Dieses ist in einer Ventilkammer 32 zwi­ schen zwei in Richtung der Hubachse 26 gegenüberliegenden Ventilsitzen 34, 36 hin- und herbeweglich untergebracht und im Regelfall durch eine nicht gezeigte Ventilfeder in Rich­ tung zu einem der Ventilsitze 34, 36 hin vorgespannt einge­ baut.

Der Entlastungsweg 20 ist gesperrt, wenn das Kugelsitzele­ ment 30 in Dichteingriff entweder mit dem Ventilsitz 34 oder mit dem Ventilsitz 36 steht. Befindet sich das Kugelsitzele­ ment 30 in einer Zwischenposition zwischen den beiden Ven­ tilsitzen 34, 36, ist der Entlastungsweg 20 freigegeben.

Zur Bildung des Entlastungswegs 20 mündet im Bereich des Ventilsitzes 36 ein mit der Steuerkammer 12 verbundener Ab­ laufkanal 38 in die Ventilkammer 32. Der Ablaufkanal 38 ent­ hält eine Ablaufdrossel 40, welche zur Einstellung und Be­ grenzung des Durchflusses des ablaufenden Kraftstoffs dient. Im Bereich des Ventilsitzes 34 mündet aus der Ventilkammer 32 ein Rücklaufkanal 42, über den der aus der Steuerkammer 12 abgelaufene Kraftstoff zu einem nicht gezeigten Kraft­ stoffvorrat zurückfließt.

Um die eingespritzte Kraftstoffmenge exakt dosieren zu kön­ nen, ist es wünschenswert, den Entlastungsweg 20 rasch frei­ geben und sperren zu können. Hierbei ist zum einen die Schnelligkeit maßgeblich, mit der der Ventilsteller 24 das Kugelsitzelement 30 bewegen kann. Zum anderen spielt eine wesentliche Rolle, wie rasch im Zuge einer Freigabe des Ent­ lastungswegs 20 der Kraftstoffdurchfluß durch diesen ansteigen kann und wie schnell sich demnach der Kraftstoff aus der Steuerkammer 12 entleeren kann.

Es hat sich gezeigt, daß durch eine geeignete Gestaltung der Ventilsitze 34, 36 ein im Vergleich zu bisherigen Lösungen deutlich rascherer Anstieg des Durchflusses bei Freigabe des Entlastungswegs 20 erzielt werden kann.

Zur Erläuterung der Gestaltung der Ventilsitze 34, 36 wird nun zusätzlich auf Fig. 2 verwiesen. Darin ist ersicht­ lich, daß beide Ventilsitze 34, 36 von je einer in die Kam­ merwand der Ventilkammer 32 eingeformten, zur Hubachse 26 zentrischen Ringsitzfläche 44 bzw. 46 gebildet sind.

Bei bisherigen Lösungen verlaufen diese Ringsitzflächen bei Betrachtung in einem die Hubachse 26 enthaltenden Längs­ schnitt geradlinig schräg zur Hubachse 26, wie dies gestri­ chelt in Fig. 2 eingezeichnet ist. Dabei ist zwischen der den Ventilsitz 36 bildenden Ringsitzfläche 46 und der Wand des Ablaufkanals 38 eine in Fig. 2 gut zu erkennende Über­ gangskante 48 gebildet. Auch zwischen der den Ventilsitz 34 bildenden Ringsitzfläche 44 und den zum Inneren der Ventil­ kammer 32 hin angrenzenden Bereichen der Kammerwand ist bei den bisherigen Lösungen eine ähnliche Übergangskante gebil­ det.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist jedoch zumindest der zuströmseitige Bereich der Ringsitzflächen 44, 46 konvex gekrümmt.

Beim Ventilsitz 36 ist der zuströmseitige Bereich der Ringsitzfläche 46 derjenige Bereich, der in Richtung zum Ablaufkanal 38 hin an einen Dichtbereich 46a der Ringsitz­ fläche 46 anschließt, in welchem der Dichteingriff zwischen dem Kugelsitzelement 30 und der Ringsitzfläche 46 stattfin­ det. Dieser zuströmseitige Bereich der Ringsitzfläche 46 ist in Fig. 2 mit 46b bezeichnet. Insbesondere geht er kantenfrei in die Wand des Ablaufkanals 38 über.

Durch diese Gestaltung der Ringsitzfläche 46 kann bei ge­ ringem Öffnungshub des Kugelsitzelements 30 eine größere Durchflußrate des zwischen Ventilsitz 36 und Kugelsitzele­ ment 30 abfließenden Kraftstoffs erzielt werden als bei ge­ radliniger Gestaltung des zuströmseitigen Ringsitzflächen­ bereichs 46b. Dies bedeutet zugleich, daß sich mit zuneh­ mendem Öffnungshub ein rascherer Anstieg der Durchflußrate als bei geradliniger Gestaltung des zuströmseitigen Ringsitzflächenbereichs 46b einstellt.

Das qualitative Diagramm der Fig. 3 zeigt dieses Verhalten anschaulich. Dort sind an der Abszisse der Hub h des Kugel­ sitzelements 30 bzw. des Ventilstellers 24 und an der Ordi­ nate der Volumenstrom Q des abfließenden Kraftstoffs aufge­ tragen - ohne Berücksichtigung der Ventilwirkung am anderen Ventilsitz 34.

Man erkennt, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung eine Kennlinie K1 (mit durchgezogener Linie gezeichnet) erhalten wird, die wesentlich steiler bis zu einem durch die Ablauf­ drossel 40 bestimmten Maximum ansteigt als eine bei den bisherigen Lösungen erhaltene, gestrichelte Kennlinie K2.

Die Krümmung des zuströmseitigen Ringsitzflächenbereichs 46b kann kreisbogenförmig, aber auch von einer Kreisform abweichend sein. Gewünschtenfalls kann sich die konvexe Krümmung bis in den Dichtbereich 46a der Ringsitzfläche 46 erstrecken.

Der zum Inneren der Ventilkammer 32 hin an den Dichtbereich 46a anschließende abströmseitige Bereich der Ringsitzfläche 46 - hier mit 46c bezeichnet - kann wie bei den bisherigen Lösungen geradlinig schräg zur Hubachse 26 verlaufen. Die konvexe Krümmung der Ringsitzfläche 46 kann aber auch bis in diesen abströmseitigen Ringsitzflächenbereich 46c rei­ chen.

Was die den Ventilsitz 34 bildende Ringsitzfläche 44 anbe­ langt, so ist dort der zuströmseitige Ringsitzflächenbe­ reich derjenige Bereich, der zum Inneren der Ventilkammer 32 hin an den Dichtbereich der Ringsitzfläche 44 an­ schließt, in dem der Dichteingriff mit dem Kugelsitzelement 30 stattfindet. Dieser zuströmseitige Bereich der Ringsitz­ fläche 44 ist wie bei der Ringsitzfläche 46 konvex ge­ krümmt. Es empfiehlt sich wiederum ein kantenfreier Über­ gang zu den angrenzenden Bereichen der Kammerwand der Ven­ tilkammer 32. Dabei ist es nicht ausgeschlossen, für die zuströmseitigen Bereiche der Ringsitzflächen 44, 46 vonein­ ander abweichende Krümmungsverläufe zu wählen.

Der abströmseitige Bereich der Ringsitzfläche 44 - das ist der Bereich, der in Richtung zum Rücklaufkanal 42 an den Dichtbereich der Ringsitzfläche 34 anschließt - kann wiederum eine geradlinige, gewünschtenfalls aber auch eine konvex gekrümmte Kontur besitzen.

In das qualitative Diagramm der Fig. 4 ist zusätzlich zu den bereits in Fig. 3 gezeigten Kennlinien K1 und K2 eine weitere Kennlinie K3 eingezeichnet, die die Abhängigkeit der Menge Q des am Ventilsitz 34 vorbeiströmenden Kraft­ stoffs vom Hub h des Kugelsitzelements 30 zeigt, und zwar ohne Berücksichtigung der Ventilwirkung am Ventilsitz 36.

Als Vergleich ist wiederum eine Kennlinie K4 gestrichelt eingezeichnet, die bei im Schnitt geradliniger Gestaltung des zuströmseitigen Bereichs der Ringsitzfläche 44 erhalten wird. Aus der Überlagerung der beiden Kennlinien K1 und K3 ergibt sich eine durch dicke Punkte angedeutete effektive Durchflußkennlinie K5 für die doppelsitzige Steuerventi­ lanordnung 10. Zum Vergleich zeigt eine durch Dreiecke an­ gedeutete Kennlinie K6 die Überlagerung der Kennlinien K2 und K4.

Man erkennt anhand der Kennlinie K5, daß bei der erfin­ dungsgemäßen Lösung der stabile Bereich, welcher durch eine Hubspanne S1 angedeutet ist, in dem die abfließende Kraft­ stoffmenge unabhängig von der Hubposition des Kugelsitzele­ ments 30 annähernd konstant ist, deutlich größer ist als der stabile Bereich bei den bisherigen Lösungen, welches durch eine Hubspanne S2 angedeutet ist. Zudem fließt bei der erfindungsgemäßen Lösung im stabilen Bereich ein größe­ rer Volumenstrom als bei den bisherigen Lösungen.

Im Teilhubbereich, also bei vergleichsweise geringem Abhe­ ben des Kugelsitzelements 30 vom Ventilsitz 34 bzw. 36, steigt außerdem bei der erfindungsgemäßen Lösung der Durch­ fluß sehr rasch bis nahe seines Maximums an, so daß sich insgesamt sehr schnelle Reaktionszeiten des Einspritzsy­ stems erzielen lassen und unvermeidbare Fertigungstoleran­ zen der einzelnen Bauteile der Steuerventilanordnung sich nur wenig auswirken.

Insbesondere bei dem Ventilsitz 34 kann die Wahl des kon­ kreten Krümmungsverlaufs der Ringsitzfläche 44 zudem davon abhängig gemacht werden, daß zu Beginn des Abhebens des Ku­ gelsitzelements 30 vom Ventilsitz 34 der hydraulisch wirk­ same Sitzdurchmesser im wesentlichen unverändert und im we­ sentlichen gleich dem am Dichtbereich der Ringsitzfläche 44 gemessenen geometrischen Sitzdurchmesser bleiben soll, um eine hubabhängige Zunahme der vom Ventilsteller 24 aufzu­ bringenden Hubkraft zu vermeiden.

Claims (6)

1. Sitzventilanordnung, insbesondere für ein Kraftstoffein­ spritzsystem einer Verbrennungsmaschine, mit mindestens einer zwischen einem Zuströmbereich und einem Abströmbe­ reich angeordneten, zu einer Achse (26) zentrischen Ringsitzfläche (44, 46) und einem längs der Achse (26) in und außer Dichteingriff mit einem Dichtbereich (46a) der Ringsitzfläche (44, 46) bewegbaren Sitzelement (30), wobei die Ringsitzfläche (44, 46) bei Betrachtung in ei­ nem Axiallängsschnitt schräg geneigt zu der Achse (26) verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsitzfläche (44, 46) bei Betrachtung in dem Axiallängsschnitt auf der Seite des Zuströmbereichs im Anschluß an den Dicht­ bereich (46a) konvex gekrümmt verläuft.

2. Sitzventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Übergang von der Ringsitzfläche (44, 46) zum Zuströmbereich im wesentlichen kantenfrei ist.

3. Sitzventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ringsitzfläche (44, 46) auf der Seite des Zuströmbereichs im Anschluß an den Dichtbe­ reich (46a) im wesentlichen kreisbogenförmig konvex ver­ läuft.

4. Sitzventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsitzfläche (44, 46) auch in dem Dichtbereich (46a) konvex gekrümmt verläuft.

5. Sitzventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sitzelement (30) als Ku­ gelsitzelement ausgeführt ist.

6. Sitzventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzventilanordnung Teil eines Injektormoduls mit einer in einen Zylinderbrenn­ raum des Verbrennungsmotors ragenden Kraftstoff- Einspritzdüse und einer die Einspritzdüse abhängig vom Hydraulikdruck in einer Steuerkammer (12) öffnenden und schließenden Düsennadel (14) ist, wobei die Sitzventi­ lanordnung in einer an die Steuerkammer (12) angeschlos­ senen, mittels der Sitzventilanordnung wahlweise sperr- oder freigebbaren Druckentlastungsstrecke (20) angeord­ net ist.