DE10101798A1 - Einspritzventil - Google Patents

Abstract

Es wird ein Einspritzventil vorgeschlagen, das insbesondere für eine Verbrennungsmaschine geeignet ist und zumindest ein Steuerkolbengehäuse (3), in dem ein Ventilsteuerkolben (4) geführt ist, und ein sich an das Steuerkolbengehäuse (3) anschließendes Ventilsteuergehäuse (20) umfaßt, in dem eine Ventilsteuereinheit angeordnet ist, die ein mit einem ersten Ventilsitz (28) und mit einem zweiten Ventilsitz (29) zusammenwirkendes Ventilschließglied aufweist, wobei zur Vereinfachung der Einstellbarkeit des Ventils der erste Ventilsitz (28) und der zweite Ventilsitz (29) an dem Ventilsteuergehäuse (20) ausgebildet sind (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Einspritzventil, insbesondere einem Einspritzventil für eine Verbrennungsmaschine, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.

Ein derartiges Ventil ist aus der Praxis bekannt und wird insbesondere in Verbindung mit Common-Rail-Speicherein­ spritzsystemen für Dieselverbrennungsmaschinen eingesetzt. Bei einem solchen Einspritzventil ist ein Ventilsteuerkol­ ben, der eine Baueinheit mit der Düsennadel bildet, zumin­ dest teilweise von einem Kraftstoff enthaltenden, mit einem Hochdruckanschluß verbundenen Raum umschlossen. Ein Ende des Ventilsteuerkolbens ist nadelförmig ausgebildet und wirkt mit einem korrespondierend ausgebildeten Ventilsitz zusammen. In Abhängigkeit von der Lage des Ventilsteuerkol­ bens kann so über eine zu einem Verbrennungsraum der Ver­ brennungsmaschine führende Öffnung des den Ventilsteuerraum umschließenden Raums die Kraftstoffeinspritzung in den Ver­ brennungsraum gesteuert werden. Die Lage des Ventilsteuer­ kolbens wird mittels der Ventilsteuereinheit festgelegt, die gegebenenfalls über eine piezoelektrische Aktor-Einheit verfügt.

Bei dem Einspritzventil der einleitend genannten Art, bei dem eine selbst ventilartig ausgebildete Ventilsteuerein­ heit mit zwei Ventilsitzen zusammenwirkt, wird Kraftstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt, wenn das Ventil­ schließglied weder an dem einen noch an dem anderen ihm zu­ geordneten Ventilsitz anliegt und der Ventilsteuerkolben die zu dem Verbrennungsraum führende Öffnung des Einspritz­ ventils freigibt. Umgekehrt verschließt der Ventilsteuer­ kolben die zu dem Verbrennungsraum führende Öffnung, wenn das Ventilschließglied an einem der ihm zugeordneten Ven­ tilsitze anliegt, so daß in diesem Fall kein Kraftstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt wird.

Die Übersetzung zwischen dem Ventilsteuerkolben und der Ventilsteuereinheit erfolgt über einen zwischen diesen bei­ den angeordneten Ventilsteuerraum, der über eine Zulauf­ drossel mit einem mit dem gemeinsamen Hochdruckspeicher (Common-Rail) in Verbindung stehenden Hochdruckanschluß und über eine Ablaufdrossel mit der Ventilsteuereinheit verbun­ den ist sowie das dem nadelförmigen Ende des Ventilsteuer­ kolbens entgegengesetzte Ende desselben umgibt. Dieser Auf­ bau ermöglicht einen gezielten, mittels der Ventilsteuer­ einheit ausgelösten, nachfolgend beschriebenen Druckaufbau und Druckabbau in dem Ventilsteuerraum.

Wenn sich das Ventilschließglied zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilsitz befindet, kann sich der in dem Ven­ tilsteuerraum herrschende Druck über die Ablaufdrossel ab­ bauen, so daß sich der Ventilsteuerkolben in Richtung der Ventilsteuereinheit verschiebt und die zu der Verbrennungs­ kammer der Verbrennungsmaschine führende Öffnung freigibt. Damit wird Kraftstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt. Sobald das Ventilschließglied an einen seiner beiden Ven­ tilsitze anliegt, baut sich im Ventilsteuerraum ein Hoch­ druck (Rail-Druck) auf, und der Ventilsteuerkolben wird da­ durch in seine Schließstellung versetzt. Die Düsennadel des Ventilsteuerkolbens wird also in ihren Sitz gepreßt und schließt das Einspritzventil dicht zum Verbrennungsraum ab, so daß in diesen kein Kraftstoff gelangt.

Bei den bekannten Einspritzventilen der einleitend genann­ ten Art weisen der Ventilsteuerkolben und auch die Ventil­ steuereinheit jeweils ein Gehäuse auf, welche in axialer Erstreckung des Ventils miteinander verbunden sind. Dabei ist einer der mit dem Ventilschließglied zusammenwirkenden Ventilsitze an dem die Ventilsteuereinheit aufnehmenden Ge­ häuse und der andere mit dem Ventilschließglied zusammen­ wirkende Ventilsitz an einem Bauteil ausgebildet, das in dem Gehäuse des Ventilsteuerkolbens angeordnet ist und in dem beispielsweise die Ablaufdrossel des Ventilsteuerraums ausgebildet ist.

Aufgrund der Herstellungstoleranzen der jeweiligen Bauteile und des sich dadurch ergebenden etwaigen Achsversatzes zwi­ schen dem in dem Gehäuse des Ventilsteuerkolbens aufgenom­ menen, den Ventilsitz aufweisenden Bauteil und dem Gehäuse der Ventilsteuereinheit ist es erforderlich, den Ventil­ sitz, der an dem von dem Gehäuse des Ventilsteuerkolbens aufgenommenen Bauteil ausgebildet ist, als Flachsitz auszu­ bilden. Eine Ausbildung als Kugelsitz ist aus Dichtigkeits­ gründen nicht möglich. Um dem Ventilsitz beim Zusammenwir­ ken mit dem Ventilschließglied eine hinreichende Dichtig­ keit zu verleihen, muß dieser Ventilsitz aber entsprechend profiliert ausgebildet sein. Dies stellt hohe Anforderungen an die Fertigung, damit der korrespondierende Bereich des Ventilschließglieds an dem Ventilsitz bündig anliegt und das Einspritzventil ordnungsgemäß arbeitet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Einspritzventil mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei dem der erste Ventilsitz und der zweite Ventilsitz an dem Ventilsteuerge­ häuse ausgebildet sind, hat demgegenüber den Vorteil, daß die den Ventilsteuerkolben schaltende Ventilsteuereinheit konstruktiv von der das Steuerkolbengehäuse und den Ventil­ steuerkolben umfassenden Baueinheit abgekoppelt ist. Die Ventilsteuereinheit kann damit separat eingestellt und überprüft werden. Es ist nicht mehr erforderlich, hinsicht­ lich der Funktionsfähigkeit der Ventilsteuereinheit diesel­ be gemeinsam mit Bauteilen der den Ventilsteuerkolben um­ fassenden Baueinheit abzustimmen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Einspritzventils der Erfindung besteht das Ventilschließglied aus einem mit dem ersten Ventilsitz zusammenwirkenden ersten Bereich und einem von dem ersten Bereich über ein Hubeinstellelement getrennten, mit dem zweiten Ventilsitz zusammenwirkenden zweiten Bereich. Das Hubeinstellelement kann dann im we­ sentlichen in einer Bohrung angeordnet sein, deren axiale Begrenzungen den jeweiligen Ventilsitz bilden, und bei­ spielsweise als ein zylindrischer Stift ausgebildet sein.

Gegebenenfalls kann die Länge dieses zylindrischen Stiftes einstellbar sein, wobei die Länge des Stiftes an den erfor­ derlichen Hub des Ventilschließglieds angepaßt wird.

Der erste Bereich des Ventilschließgliedes kann in einer vorteilhaften Ausführung als abgeflachte Halbkugel ausge­ bildet sein, während der zweite Bereich beispielsweise im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist.

Um zwei besonders dichte Ventilsitze zu erhalten, können sowohl der erste als auch der zweite Ventilsitz als Kugel­ sitz ausgebildet sein. Dies wird dadurch möglich, daß das radiale Spiel des Ventilschließglieds sehr klein gehalten werden kann, so daß eine gute Führung desselben ohne weite­ res erreicht werden kann.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des Ge­ genstandes nach der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele des Einspritzventils nach der Er­ findung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des Einspritzventils nach der Erfindung im Längsschnitt, und

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform des Einspritzven­ tils nach der Erfindung in einer Darstellung, die derjeni­ gen in Fig. 1 entspricht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Einspritzventil 1, das insbesondere zur Kraftstoffeinsprit­ zung in eine Dieselverbrennungsmaschine bestimmt ist. Das Einspritzventil 1 umfaßt ein Gehäuse 2, in dem ein Ventil­ steuerkolben 4 angeordnet ist, der eine hier nicht darge­ stellte Einspritzdüse steuert und in einem Steuerkolbenge­ häuse 3 geführt ist.

Des weiteren umfaßt das Steuerkolbengehäuse 3 einen Hoch­ druckraum 8, der über einen Druckkanal 12 mit einem gemein­ samen Hochdruckspeicher (Common-Rail) bekannter Art verbun­ den ist. Dieser Hochdruckraum 8 umgibt den Bereich des in Fig. 1 dargestellten Endes des Ventilsteuerkolbens 4 und ist gleichzeitig in Richtung des entgegengesetzten Endes des Ventilsteuerkolbens 4 mit der in einen Verbrennungsraum der Verbrennungsmaschine mündenden Öffnung bzw. Einspritz­ düse verbunden. In dem Hochdruckraum 8 herrscht im Be­ triebszustand beispielsweise ein Druck von bis zu 1,5 kbar.

Das in Fig. 1 dargestellten Ende des Ventilsteuerkolbens 4 ist in einer Bohrung 71 eines Federtellers 7 geführt. Des weiteren ist der Ventilsteuerkolben 4 mittels einer Feder 5, die einerseits mit dem Federteller 7 und andererseits mit einem Auflager 6 verbunden ist, belastet.

In dem Federteller 7 ist ein Ventilsteuerraum 11 ausgebil­ det, der sich an die in Fig. 1 dargestellte Stirnseite des Ventilsteuerkolbens 4 anschließt, und der über eine Zulauf­ drossel 9 mit dem Hochdruckraum 8 verbunden ist. In axialer Richtung des Einspritzventils 1 zweigt von dem Ventilsteu­ erraum 11 eine kanalartig ausgebildete Ablaufdrossel 10 ab, die zu einer nachfolgend beschriebenen Ventilsteuereinheit führt.

An das Steuerkolbengehäuse 3 schließt sich in axialer Rich­ tung von dem Ventilsteuerkolben 4 wegführend ein Ventil­ steuergehäuse 20 an, das ebenfalls von dem Ventilgehäuse 2 aufgenommen ist. Der von dem Steuerkolbengehäuse 3 aufge­ nommene Federteller 7 stützt sich an dem Ventilsteuergehäu­ se 20 ab.

Das Ventilsteuergehäuse 20 weist eine Bohrung 22 auf, in welcher ein Nehmerkolben 23 geführt ist, der über eine Hy­ draulikkammer 32 mit einem Stellkolben 31 zusammenwirkt, der seinerseits in einem sich an das Ventilsteuergehäuse 20 anschließenden Stellkolbengehäuse 30 axial verschiebbar ge­ führt ist. Zur Betätigung des Stellkolbens 31 und damit zu dessen axialer Verschiebung ist eine nicht weiter darge­ stellte Aktor-Einheit vorgesehen, welche vorzugsweise mit einem piezoelektrischen Aktor ausgestattet ist.

An der dem Stellkolben 31 abgewandten Stirnseite des Neh­ merkolbens 23 schließt sich ein sogenanntes Ventilschließ­ glied an. Dieses Ventilschließglied besteht im vorliegenden Fall im wesentlichen aus einem Schließgliedzylinder 24, ei­ nem sich an dem Schließgliedzylinder 24 anschließenden, im wesentlichen in einem sich axial erstreckenden Ablaufkanal 33 angeordneten zylindrischen Hubeinstellelement 26, wel­ ches vorliegend als Stift ausgebildet ist, sowie einer sich wiederum an den zylindrischen Stift 26 anschließenden abge­ flachten Halbkugel 25. Die Halbkugel 25 ist mittels einer Druckfeder 27, welche einerseits an der dem zylindrischen Stift 26 abgewandten Kugelschnittfläche angreift und sich anderseits an der Stirnseite des auf den Ventilsteuerkolben 4 aufgesetzten Federtellers 7 abstützt, kraftschlüssig ge­ gen den zylindrischen Stift 26 gepreßt.

Der Schließgliedzylinder 24 ist in radialer Richtung von einem sogenannten Ablaufraum 21 umgegeben, von dem ein hier nicht dargestellter Rücklaufkanal abzweigt.

Die oben beschriebene, in dem Federteller 7 ausgebildete Ablaufdrossel 10 des Ventilsteuerraums 11 mündet in den Raum, in dem das Ventilschließglied geführt ist.

Die Halbkugel 25 des Ventilschließglieds wirkt mit einem an dem Ventilsteuergehäuse 20 ausgebildeten ersten Ventilsitz 28 zusammen. Der Schließgliedzylinder 24, der in dem Ab­ laufraum 21 liegt, wirkt wiederum mit einem ebenfalls an dem Ventilsteuergehäuse 20 ausgebildeten zweiten Ventilsitz 29 zusammen.

Der erste Ventilsitz 28, der mit der abgeflachten Halbkugel 25 zusammenwirkt, ist in der Ausführung nach Fig. 1 als Kugelsitz ausgebildet, wohingegen der zweite Ventilsitz 29, der mit dem Schließgliedzylinder 24 zusammenwirkt, als Flachsitz ausgebildet ist.

Um einen Eindruck von den Abmessungen des vorliegend be­ schriebenen Einspritzventils nach der Erfindung zu gewin­ nen, seien nachfolgend einige nicht beschränkend zu verste­ hende Maße genannt. So kann der Durchmesser des Nehmerkol­ bens 23 beispielsweise 5 mm betragen, die Länge des zylin­ drischen Stiftes 26 beträgt beispielsweise 1,5 mm und der Kugeldurchmesser der Halbkugel 25 beträgt beispielsweise 3 mm bis 4 mm. Der den Nehmerkolben 23 umgebende Ringspalt kann beispielsweise eine Breite von etwa 1 µm bis 1,5 µm aufweisen. Der Hub H des Ventilschließglieds beträgt bei­ spielsweise 40 µm bis 50 µm und kann über die Länge des zy­ lindrischen Stiftes 26 einstellbar sein.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, un­ terscheidet sich von diesem aber dadurch, daß der zweite Ventilsitz 29 nicht als Flachsitz, sondern als Kugelsitz ausgebildet ist. Das dem Nehmerkolben 23 abgewandte Ende des Schließgliedzylinders 24, an das sich der zylindrische Stift 26 anschließt, ist dementsprechend als mit diesem Ku­ gelsitz 29 zusammenwirkender Kugelabschnitt 40 ausgebildet.

Die Kraftstoffeinspritzventile nach den Fig. 1 und 2 ar­ beiten jeweils in nachfolgend beschriebener Weise.

Im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, d. h. wenn keine Spannung an dem hier nicht dargestellten piezoelektrischen Aktor anliegt, befindet sich die abge­ flachte Halbkugel 25 des Ventilschließglieds an dem dieser zugeordneten ersten Ventilsitz 28. Die Halbkugel 24 wird in dieser Stellung mittels der Feder 27 und des über die Zu­ laufdrossel 9, den Ventilsteuerraum 11 und die Ablaufdros­ sel 10 auf die Kreisfläche der Halbkugel 25 wirkenden, in dem Hochdruckraum 8 herrschenden Hochdrucks bzw. Rail- Drucks gegen den ersten als Kugelsitz ausgebildeten Ventil­ sitz 28 gepreßt. Das Ventilschließglied ist damit in seiner ersten Sperrstellung.

Wenn das Einspritzventil 1 geöffnet werden soll, d. h. wenn die durch den Ventilsteuerkolben 4 bzw. eine Düsennadel verschlossene, hier nicht dargestellte Einspritzdüse geöff­ net werden soll, wird an dem piezoelektrischen Aktor eine elektrische Spannung angelegt, worauf sich dieser schlagar­ tig in axialer Richtung, d. h. in Richtung des Stellkolbens 31 ausdehnt. Letzterer wird dadurch in Richtung des Nehmer­ kolbens 23 verschoben, wodurch sich in der Hydraulikkammer 32 ein Öffnungsdruck aufgebaut, der wiederum den Nehmerkol­ ben 23 in Richtung des Ventilsteuerkolbens 4 verschiebt. Zusammen mit dem Nehmerkolben 23 wird das mit diesem ver­ bundene, den Schließgliedzylinder 24, den zylindrische Stift 26 und die abgeflachte Halbkugel 25 aufweisende Ven­ tilschließglied ebenfalls in Richtung des Ventilsteuerkol­ bens 4 verfahren, und zwar bis der Schließgliedzylinder 24 an dem zweiten Ventilsitz 29 anliegt, d. h. bis das Ventil­ schließglied seine zweite Sperrstellung erreicht hat.

Solange das Ventilschließglied weder an dem ersten Ventil­ sitz 28 noch an dem zweiten Ventilsitz 29 anliegt, strömt sich in dem die Halbkugel 25 begrenzenden Raum befindlicher Kraftstoff über den Ablaufkanal 25 in den Ablaufraum 21 ab. Über die Ablaufdrossel 10 wird dadurch der Ventilsteuerraum 11 entlastet, so daß sich der Druck in demselben abbaut und sich der Ventilsteuerkolben 4 in Richtung des Ventilsteuer­ gehäuses 20 verschiebt, wodurch die zu dem Verbrennungsraum der Verbrennungsmaschine führende Öffnung freigegeben und unter Hochdruck stehender, in dem Hochdruckraum 8 des Ein­ spritzventils 1 enthaltener Kraftstoff in den Verbrennungs­ raum eingespritzt wird.

Sobald der Schließgliedzylinder 24 an dem zweiten Ventil­ sitz 29 anliegt, baut sich in dem Ventilsteuerraum 11 er­ neut der in dem Hochdruckraum 8 herrschende Rail-Druck auf, so daß der Ventilsteuerkolben 4 bzw. die Düsennadel wieder in Sperrstellung verfahren wird und die zum Verbrennungs­ raum führende Öffnung verschließt.

Wird nun die an dem piezoelektrischen Aktor angelegte Span­ nung unterbrochen, so wird der Stellkolben 31 in Richtung des Aktors zurückgefahren, wodurch der in der Hydraulikkam­ mer 32 herrschende Druck gemindert wird und das Ventil­ stellglied und damit der Nehmerkolben 23 ebenfalls in Rich­ tung des piezoelektrischen Aktors verfahren werden, bis die Halbkugel 25 in dem ersten Ventilsitz 28 zum Liegen kommt. In der Übergangszeit baut sich damit der in dem Ventilsteu­ erraum 11 herrschende Druck erneut ab, so daß sich der Ven­ tilsteuerkolben 4 wiederum in Durchlaßstellung befindet.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht nur bei den hier als bevorzugtes Einsatzgebiet beschriebenen Common-Rail- Injektoren Verwendung finden kann, sondern generell bei Kraftstoffeinspritzventilen mit einem sogenannten Doppel­ sitzstellglied verwirklicht werden kann.

Claims (10)

1. Einspritzventil, insbesondere für eine Verbrennungsma­ schine, zumindest umfassend ein Steuerkolbengehäuse (3), in dem ein Ventilsteuerkolben (4) geführt ist, und ein sich an das Steuerkolbengehäuse (3) anschließendes Ven­ tilsteuergehäuse (20), in dem eine Ventilsteuereinheit angeordnet ist, die ein mit einem ersten Ventilsitz (28) und mit einem zweiten Ventilsitz (29) zusammenwirkendes Ventilschließglied aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ventilsitz (28) und der zweite Ventilsitz (29) an dem Ventilsteuergehäuse (20) ausgebildet sind.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied einen mit dem ersten Ventil­ sitz (28) zusammenwirkenden ersten Bereich (25) und einen von dem ersten Bereich (25) über ein Hubeinstellelement (26) getrennten, mit dem zweiten Ventilsitz (29) zusam­ menwirkenden zweiten Bereich (24) aufweist.

3. Einspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des vorzugsweise als zylindrischer Stift ausgebildeten Hubeinstellelements (26) einstellbar ist.

4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ventilsitz (29) als Flach­ sitz ausgebildet ist.

5. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ventilsitz (29) als Kugel­ sitz ausgebildet ist.

6. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste Ventilsitz (28) als Kugelsitz ausgebildet ist.

7. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (25) des Ventil­ schließglieds wenigstens annähernd als eine abgeflachte Halbkugel ausgebildet ist.

8. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (24) des Ventil­ schließglieds als ein im wesentlichen zylindrischer Kör­ per ausgebildet ist.

9. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (25) des Ventil­ schließglieds mittels einer Feder (27) gegen den zylin­ drischen Stift (26) gepreßt ist.

10. Einspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Feder (27) an einem in dem Steuerkolbenge­ häuse (3) angeordneten Bauteil (7) abstützt.