DE10059424A1 - Hubgesteuertes Ventil als Kraftstoff-Zumesseinrichtung eines Einspritzsystems für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Ein hubgesteuertes Ventil als Kraftstoff-Zumesseinrichtung eines Einspritzsystems für Brennkraftmaschinen besitzt eine gegen Federwiderstand (24) axial betätigbare Ventilnadel (11), die in einer abgestuften koaxialen Ausnehmung (13) in einem Ventilkörper (10) angeordnet ist und mit einem in der Ausnehmung (13) des Ventilkörpers (10) ausgebildeten Ventilsitz (17) - hierbei den Kraftstoff-Einspritzvorgang steuernd - zusammenwirkt, ferner einen mit einer zugeordneten Einspritzdüse verbundenen, vor dem Ventilsitz (17) liegenden Hochdruckbereich (18), einen hinter dem Ventilsitz liegenden Niederdruckbereich (28), der in einen Kraftstoff-Rücklauf (30) ausmündet, und einen sich koaxial an das Ventil (16, 17) anschließenden, mit der Ventilnadel (11) fest verbundenen Niederdruck-Ausgleichskolben (22). DOLLAR A Die Besonderheit besteht darin, dass am Niederdruck-Ausgleichskolben (22) eine erste Steuerkante (39 bzw. 42) ausgebildet ist, die mit einer zweiten Steuerkante (40 bzw. 43) an der Ventilkörper-Ausnehmung (13) im Bereich des Kraftstoff-Rücklaufs (45, 30) bzw. (48, 30) zusammenwirkt, derart, dass zwischen den beiden Steuerkanten (39, 40 bzw. 42, 43) ein vom Ventilhub (41) abhängiger Drosselquerschnitt (38, 38a bzw. 46, 44a) gebildet wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf ein hubgesteuertes Ventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Moderne ventilgesteuerte Kraftstoff-Einspritzsysteme, insbesondere Dieselein­ spritzsysteme, sind am Ventilsitz der Kraftstoff-Zumesseinrichtung einer sehr hohen Wärmebelastung ausgesetzt. Durch das Öffnen des Ventils wird die Ein­ spritzung beendet, und der unter Hochdruckstehende Kraftstoff wird über den offenen Ventilsitz in den Rücklauf abgesteuert. Die Druckenergie des Kraftstoffs wird hierbei größtenteils in Wärmeenergie umgesetzt. Dies führt zu einer sehr starken Erwärmung des Kraftstoffs und der umgebenden Bauteile. Hieraus folgende starke thermische Wärmedehnungen der Bauteile verändern dadurch die Betriebsspiele der bewegten Bauteile in entsprechendem Maße. Gleichzeitig verändert sich hierdurch das Leckageverhalten und somit auch die gesamte Funktion des Einspritzsystems. Im Extremfall kann sich das Betriebsspiel zwischen den bewegten Bauteilen auf Null reduzieren. Als Folge davon kommt es zu einem Klemmen bzw. Verschleiß in Form von Verschweißungen der bewegten Bauteile, wodurch das Einspritzsystem komplett ausfällt.

Bekannte Hochdruckventile von Dieseleinspritzsystemen besitzen im Niederdruck­ bereich in Absteuerströmungsrichtung hinter dem Ventilsitz einen Niederdruck- Ausgleichskolben, der die Aufgabe hat, Druckstöße auf die Unterseite der Ventil­ nadel zu vermeiden, die bei den Schaltvorgängen des Ventils auftreten.

Derartige unerwünschte Druckstöße würden andernfalls eine Störung der Ventilnadelbewegung durch undefinierte Kräfte bewirken. Der Niederdruck- Ausgleichskolben bildet bei bekannten Ventilen der in Rede stehenden Art einen permanent unveränderlichen, Drosselwirkung entfaltenden Ringspalt zwischen der Ventilnadel und dem Ventilkörper, wodurch dem Einspritzsystem eine gleichbleibende Kraftstoffmenge entnommen wird.

Die durch den Ringspalt abfliessende Überströmmenge wird durch in den Absteuerbereich (Niederdruckbereich) nachfliessenden Kraftstoff ständig ersetzt, der hierdurch den Hochdruck- und Füllbereich des Einspritzsystems kühlt. Der über den Ringspalt permanent entnommene Kraftstoff fließt über den Rücklauf in den Kraftstofftank zurück.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kühlwirkung unter Beibehaltung der Gesamtüberströmmenge zu verbessern.

Vorteile der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem hubgesteuerten Ventil der eingangs bezeichneten Gattung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dann und nur dann eine erhöhte Kraftstoffmenge aus dem Absteuerbereich über den in Rede stehenden Ringspalt in den Rücklauf abzuführen, wenn der Kraftstoff in dem Absteuerbereich maximal erwärmt ist. Dies ist unmittelbar nach dem Öffnen des Ventilsitzes und dem damit verbundenen Absteuern des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs der Fall. Hierdurch wird eine verbesserte Kühlung des Füll- und Absteuerbereichs erreicht und zugleich der Wirkungsgrad des gesamten Einspritzsystems gesteigert.

Des Weiteren wird durch die verbesserte Kühlung die Wärmeeinbringung in die Bauteile des Ventils verringert, und es werden somit die thermischen Bauteil­ dehnungen minimiert. Dadurch läßt sich entsprechend die Funktionssicherheit erhöhen, da die Betriebsspiele der bewegten Bauteile des Ventils im Betrieb maßstabiler bleiben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beinhalten die Patentansprüche 2-6.

Zeichnung

In der Zeichnung sind - zur Veranschaulichung der Erfindung - Ausführungsbei­ spiele dargestellt, die nachstehend detailliert beschrieben werden.

Es zeigt:

Fig. 1 - im vertikalen Längsschnitt und stark vergrößert - ein hubgesteuertes Ventil (nach dem Stand der Technik), also mit einem als Konstantdrossel wirkenden Ringspalt,

Fig. 2 - in (Teil-)Darstellung entsprechend Fig. 1 - eine Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen hubgesteuerten Ventils, und

Fig. 3 - eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen hubgesteuerten Ventils, in Darstellung entsprechend Fig. 2.

Es bezeichnet 10 einen Ventilkörper und 11 eine Ventilnadel eines hubgesteuerten Ventils als Kraftstoff-Zumesseinrichtung einer Einspritzanlage für Brennkraft­ maschinen. Der Ventilkörper 10 ist in einem Pumpenkörper 12 einer (im übrigen nicht gezeigten) Einspritzpumpe integriert. Die Ventilnadel 11 ist in einer mehr­ fach im Durchmesser veränderten koaxialen Ausnehmung 13 im Ventilkörper 10 in Axialrichtung 14 beweglich angeordnet. Ein mit 15 bezifferter oberer Bereich der Ausnehmung 13 dient als Führungsbohrung für die Ventilnadel 11.

An der Ventilnadel 11 ist ein Ventilkegel 16 ausgebildet, der mit einem Ventil­ sitz 17 zusammenwirkt, welcher in den Ventilkörper 10 bzw. in die Ausnehmung 13 eingearbeitet ist.

Ventilkegel 16 und Ventilsitz 17 bilden ein hubgesteuertes Ventil zur Steuerung des Hochdruck-Kraftstoffflusses zu einer zugeordneten (nicht gezeigten) Ein­ spritzdüse der Kraftstoff-Einspritzanlage. Die Ausnehmung 13 ist hierzu im Bereich von Ventilkegel 16 und Ventilsitz 17 zu einer Druckkammer 18 aufge­ weitet, der über Kanäle 19, 20 unter Hochdruck stehender Kraftstoff zugeleitet wird. Die Kraftstoffverteilung zur (nicht dargestellten) Einspritzdüse erfolgt über eine Verteilernut 21.

An den Ventilkegel 16 schließt sich ein einstückig mit der Ventilnadel 11 ver­ bundener, insgesamt mit 22 bezeichneter Niederdruck-Ausgleichskolben an, der an seiner (unteren) Stirnfläche 23 von einer Druckfeder 24 axial (in Pfeil­ richtung 25) kraftbeaufschlagt wird. Rückwärtig stützt sich die Druckfeder 24 über eine Scheibe 26 am Boden 27 der Ausnehmung 13 ab.

Ein unterhalb des Ventilsitzes 17 ausgeformter Bereich 28 der Ausnehmung 13 fungiert als Niederdruckbereich und ist über einen Ringspalt 29 zwischen dem Niederdruck-Ausgleichskolben 22 und der Ausnehmung 13 mit einem sich im Bereich der Druckfeder 24 erstreckenden Rücklauf 30 hydraulisch verbunden. Von dem Rücklauf 30 gelangt der Kraftstoff über Kanäle 31 und 32 im Ventil­ körper 10 bzw. im Pumpenkörper 12 zurück in den (nicht dargestellten) Kraft­ stofftank.

Die Betätigung des Ventils 16, 17 erfolgt am obereren Ende 33 der Ventilnadel 11 in Pfeilrichtung 34, also entgegen dem Widerstand der Druckfeder 24. Als Betätigungsorgan der Ventilnadel 11 kann z. B. ein Druckmagnet Verwendung finden, der in Aufbau und Funktion bekannt ist, weshalb auf eine Darstellung verzichtet wird.

Bei den im Vorstehenden beschriebenen konstruktiven und hydraulischen Gegebenheiten arbeitet eine derartige Kraftstoff-Zumesseinrichtung wie folgt. Um der zugeordneten Einspritzdüse (nicht dargestellt) Kraftstoff unter Hochdruck zuzuführen, muß sich der Ventilkegel 16 mit dem Ventilsitz 17 in Anlage be­ finden, das Ventil somit geschlossen sein. Durch Öffnen des Ventils 16, 17 wird der Einspritzvorgang beendet. Der in der Druckkammer 18 befindliche unter hohem Druck stehende Kraftstoff strömt nun über den offenen Ventilsitz 17 in den Niederdruckbereich 28 der Ausnehmung 13, wobei er sich entspannt und seine Druckenergie größtenteils in Wärmeenergie umwandelt. Ein Teil des erwärmten Kraftstoffs gelangt über den Ringspalt 29 in den Rücklauf 30 und von dort über die Kanäle 31, 32 zurück in den Kraftstofftank (nicht gezeigt). Die über den Ringspalt 29 abgeführte Kraftstoffmenge wird durch eine ent­ sprechende, kühle Temperatur aufweisende Kraftstoffmenge ersetzt, die dem Niederdruckbereich 28 über Kanäle 35, 36 zugeführt wird, welche durch einen Ringkanal 37 hydraulisch verbunden sind. Der in dem Niederdruckbereich 28 verbliebene heiße Kraftstoff wird dadurch entsprechend herunter gekühlt, ebenso auch die den Niederdruckbereich 28 umgebenden Bauteile des Ventils.

Nachteilig bei der Konstruktion nach Fig. 1 ist die Tatsache, dass der Ringspalt 29 - unabhängig von der jeweiligen Stellung der Ventilnadel 11 - stets einen gleichbleibenden Querschnitt hat, somit nur als Konstantdrossel arbeitet.

Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen nach Fig. 2 und 3 schaffen hier wirksam Abhilfe. Der Übersichtlichkeit halber sind die der Konstruktion nach Fig. 1 entsprechenden Bauteile in Fig. 2 und 3 mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 beziffert.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 des erfindungsgemäßen hubgesteuerten Ventils zeichnet sich gegenüber der Konstruktion nach Fig. 1 durch einen ventilnadelhubgesteuerten Querschnitt 38 bzw. 38a aus, welcher durch eine erste Steuerkante 39 an dem mit der Ventilnadel 11 einstückig verbundenen Niederdruck-Ausgleichskolben 22 und durch eine zweite Steuerkante 40 am Ventilkörper 10 definiert wird.

Die Steuerkanten 39, 40 sind zu dem Ventilkegel 16 bzw. dem Ventilsitz 17 genau positioniert, so dass sich zwischen den Steuerkanten 39, 40 ein vom Ventilhub 41 abhängiger Drosselquerschnitt ergibt. Dies wird deutlich, wenn man die Drossel­ querschnitte 38 und 38a bei geöffnetem Ventil 16, 17 (rechte Hälfte der Fig. 2) und bei geschlossenem Ventil 16, 17 (linke Hälfte der Fig. 2) vergleicht. Danach erreicht der Drosselquerschnitt 38 bei geöffnetem Ventil 16, 17 ein Maximum, während er bei geschlossenem Ventil 16, 17 auf ein Minimum 38a reduziert wird. Der Drosselquerschnitt (38, bei geöffnetem Ventil 16, 17) wird hierbei zunächst durch den axialen Abstand der beiden Steuerkanten 39 und 40 bestimmt. Kommt es - bei Ventilnadelbewegung in Schließrichtung schließlich zu einer Überdeckung der beiden Steuerkanten 39, 40, so bestimmt sich der Drosselquerschnitt nunmehr durch einen sich zwischen der Umfangsfläche des Niederdruck-Ausgleichskolbens 22 - bei 44 - und der Umfangsfläche der Ausnehmung 13 im Abströmbereich 45 erstreckenden Ringspalt (siehe Bezugszeichen 38a, bei geschlossenem Ventil 16, 17, linke Hälfte in Fig. 2).

Bei geöffnetem Ventil 16, 17 kann somit eine wesentlich größere Menge er­ hitzten Kraftstoffs aus dem Niederdruckbereich 28 über den Drosselquerschnitt 38 in den Rücklauf 30 abgeführt werden als bei geschlossenem Ventil 16, 17. Entsprechend kann dem Niederdruckbereich 28 bei geöffnetem Ventil 16, 17 auch eine erheblich größere Menge kühlen Kraftstoffs zugeführt werden als bei geschlossenem Ventil 16, 17, wodurch der Kühleffekt bezüglich der den Nieder­ druckbereich 28 umgebenden Bauteile dem jeweiligen Bedarf entsprechend veränderlich ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist am Niederdruck-Ausgleichskolben 22 eine erste Steuerkante 42 und am Ventilkörper 10 eine zweite Steuerkante 43 ausgebildet. Im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig. 2 ist hierbei die erste Steuerkante 42 dem Ventilkegel 16 zugewandt, wohingegen die zweite Steuerkante 43 vom Ventilsitz 17 abgewandt ist. Auch hier wird der Drossel­ querschnitt (46, in diesem Fall bei geschlossenem Ventil 16, 17) zunächst durch den axialen Abstand der beiden Steuerkanten 42, 43 bestimmt.

Bewegt sich die Ventilnadel 11 (und damit auch der Niederdruck-Ausgleichskolben 22 entsprechend) in Öffnungsstellung des Ventils 16, 17 (siehe rechte Hälfte in Fig. 3), so kommt es zu einer Überdeckung der Steuerkanten 42, 43. Der Drosselquer­ schnitt 46a bestimmt sich in diesem Fall durch die Umfangsfläche des Niederdruck-Ausgleichskolbens 22 - bei 47 - und die Umfangsfläche der Ausnehmung 13 im Abströmbereich 48, stellt sich damit als enger Ringspalt dar. Bei der Variante nach Fig. 3 läßt sich somit - umgekehrt wie bei der Ausführungs­ form nach Fig. 2 - bei geschlossenem Ventil 16, 17 eine wesentlich größere Menge erhitzten Kraftstoffs aus dem Niederdruckbereich 28 über den Drossel­ querschnitt 46 in den Rücklauf 30 abführen als bei geöffnetem Ventil 16, 17. Entsprechend kann dem Niederdruckbereich 28 bei geschlossenem Ventil 16, 17 auch eine erheblich größere Menge kühlen Kraftstoffs zugeführt werden als bei geöffnetem Ventil 16, 17.

Welche Variante vorteilhaft ist (die Ausführungsform nach Fig. 2 oder die Aus­ führungsform nach Fig. 3), hängt im konkreten Einzelfall von dem Druckverlauf und von dem Schaltverhalten des Ventils ab.

In beiden Fällen ermöglicht der ventilnadelhubgesteuerte Niederdruckquerschnitt 38 bzw. 46 (sei es nach Fig. 2 oder nach Fig. 3) eine gezielte Entnahme der heißen Kraftstoff-Absteuermenge aus dem Füll- und Absteuerraum (Niederdruck­ bereich 28) in den Rücklauf 30. Die ventilnadelhubgesteuerte Überdeckungslänge 38a (Fig. 2) bzw. 46a (Fig. 3) bildet durch den sich hierdurch ergebenden Ringspalt zwischen Ventilnadel 11 und Ventilkörper 10 eine hubgesteuerte Drossel. Beide ventilnadelhubgesteuerten Querschnitte (38. bzw. 46) lassen sich auf das Schalt­ verhalten des Ventils hin so abstimmen, dass bei minimaler Leckage in den Rücklauf 30 die maximale Kühlleistung des Füll- und Absteuerbereichs (Nieder­ druckbereichs 28) erreicht wird.

Claims (6)

1. Hubgesteuertes Ventil als Kraftstoff-Zumesseinrichtung eines Einspritzsystems für Brennkraftmaschinen, mit einer gegen Federwiderstand (24) axial betätigbaren Ventilnadel (11), die in einer abgestuften koaxialen Ausnehmung (13) in einem Ventilkörper (10) angeordnet ist und mit einem in der Ausnehmung (13) des Ventilkörpers (10) ausgebildeten Ventilsitz (17) - hierbei den Kraftstoff-Einspritz­ vorgang steuernd - zusammenwirkt, ferner mit einem mit einer zugeordneten Einspritzdüse verbundenen, vor dem Ventilsitz (17) liegenden Hochdruckbereich (18), einem hinter dem Ventilsitz (17) liegenden Niederdruckbereich (28), der in einen Kraftstoff-Rücklauf (30) ausmündet, und mit einem sich koaxial an das Ventil (16, 17) anschließenden, mit der Ventilnadel (11) fest verbundenen Niederdruck- Ausgleichskolben (22), dadurch gekennzeichnet, dass am Niederdruck-Ausgleichs­ kolben (22) eine erste Steuerkante (39 bzw. 42) ausgebildet ist, die mit einer zweiten Steuerkante (40 bzw. 43) an der Ventilkörperausnehmung (13) im Bereich des Kraftstoff-Rücklaufs (45, 30 bzw. 48, 30) zusammenwirkt, derart, dass zwischen den beiden Steuerkanten (39, 40 bzw. 42, 43) ein vom Hub (41) ab­ hängiger Drosselquerschnitt (38, 38a bzw. 46, 44a) gebildet wird (Fig. 2 bzw. 3).

2. Hubgesteuertes Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Steuerkanten (39, 40) einander so zugeordnet sind, dass der vom Ventilhub (41) abhängige Drosselquerschnitt bei geschlossenem Ventil (16, 17) seinen Maximal­ wert (38) und bei geöffnetem Ventil (16, 17) seinen Minimalwert (38a) erreicht (Fig. 2).

3. Hubgesteuertes Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruck-Ausgleichskolben (22) einen Bund (44) mit vergrößertem Durch­ messer besitzt, an dessen vom Ventilsitz (17) abgewandter (Unter-)Seite die erste Steuerkante (39) ausgebildet ist, und dass die Ventilkörper-Ausnehmung (13) eine stufenartige Durchmesserverengung (45) aufweist, an deren dem Ventilsitz (17) zugewandten (oberen) Ende die zweite Steuerkante (40) ausgebildet ist (Fig. 2).

4. Hubgesteuertes Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Steuerkanten (42, 43) einander so zugeordnet sind, dass der vom Ventilhub (41) abhängige Drosselquerschnitt bei geschlossenem Ventil (16, 17) seinen Minimal­ wert (46a) und bei geöffnetem Ventil (16, 17) seinen Maximalwert (46) erreicht (Fig. 3).

5. Hubgesteuertes Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruck-Ausgleichskolben (22) einen Bund (47) mit vergrößertem Durchmesser besitzt, an dessen dem Ventilsitz (17) zugewandter (Ober-)Seite die erste Steuerkante (42) ausgebildet ist, und dass die Ventilkörper-Ausnehmung (13) eine stufenartige Durchmesserverengung (48) aufweist, an deren vom Ventilsitz (17) abgewandten (unteren)Ende die zweite Steuerkante (43) ausgebildet ist (Fig. 3).

6. Hubgesteuertes Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Ventilhub (41) abhängige Drosselquerschnitt bei einer Endstellung der Ventilnadel (11) durch die Spalthöhe (38 bzw. 46) zwischen den beiden Steuerkanten (39, 40 bzw. 42, 43) und bei der anderen Endstellung der Ventilnadel (11) durch einen Ringspalt (38a bzw. 46a) (Überdeckung der Umfangsfläche von Bund 44 bzw. 47 mit dem Innenumfang des Abströmbereichs 45 bzw. 48) bestimmt ist (Fig. 2 bzw. 3).