Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Ventil
zum Steuern von Flüssigkeiten,
insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen zur Verfügung zu
stellen, bei dem ein unerwünscht
hoher Anstieg der an der Ventilnadel in Öffnungsrichtung wirkenden hydraulischen
Kräfte
vermieden wird.
Erfindungsgemäß wir diese
Aufgabe mit einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteile der
Erfindung
Das
erfindungsgemäße Ventil
zum Steuern von Flüssigkeiten
mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei
welchem Ventil die Ventilnadel in einem mit dem Kraftstoffraum verbundenen
Bereich mit einer Druckausgleichsfläche ausgeführt ist, die bei geöffnetem
Dichtsitz mit unter Hochdruck in den Kraftstoffraum zugeführtem Kraftstoff
derart beaufschlagt wird, dass an der Ventilnadel im Bereich der
Druckausgleichsfläche
eine in Schließrichtung
des Dichtsitzes wirkende Kraft angreift, und dass im Bereich der
Druckausgleichsfläche
ein Druckausgleichskolben vorgesehen ist, an dessen dem Kraftstoffraum
zugewandter Stirnfläche sich
die an der Druckausgleichsfläche
in Schließrichtung
des Dichtsitzes wirkende Kraft abstützt, hat den Vorteil, dass
die bei geöffnetem
Dichtsitz in Öffnungsrichtung
des Dichtsitzes auf die Ventilnadel wirkenden hydraulischen Kräfte im Vergleich
zu aus dem Stand der Technik bekannten Ventilen reduziert ist.
So
besteht bei einem erfindungsgemäß ausgeführten Ventil,
welches vorzugsweise als hubgesteuertes Ventil ausgeführt ist,
die Möglichkeit,
die Ventilnadel mit einem Aktuator direkt anzusteuern, der im Vergleich
zu einem herkömmlich
ausgeführten Ventil
in Bezug auf seine Leistungsfähigkeit
kleiner dimensioniert werden kann, da von dem Aktuator zum Schließen des
Ventils geringere Kräfte überwunden
werden müssen.
Ist
das erfindungsgemäße Ventil
als druckgesteuertes Ventil ausgeführt, wird durch die an der Ventilnadel
in Öffnungsrichtung
des Dichtsitzes wirkenden und im Vergleich zu herkömmlichen
Ventilen reduzierten hydraulischen Kräfte ein Schließvorgang des
Ventils vorteilhafterweise im Vergleich zu aus dem Stand der Technik
bekannten Ventilen derart verkürzt,
dass ein Schließzeitpunkt
exakt einstellbar ist und eine präzise Einspritzmenge in einen
Brennraum einer Brennkraftmaschine applizierbar ist.
Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach
der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, der Zeichnung und den
Patentansprüchen.
Zeichnung
Fünf Ausführungsbeispiele
eines Ventils nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert, wobei
in den verschiedenen Ausführungsbeispielen
der Übersichtlichkeit
halber für
bau- und funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet
werden. Es zeigen
1 einen
Teillängsschnitt
durch eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäß ausgeführten Ventils;
2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten,
welches mit zwei Dichtsitzen ausgeführt ist;
3 eine
Weiterbildung des in 2 dargestellten Ventils;
4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäß ausgeführten Ventils,
wobei das Ventil mit zwei Ventilnadeln ausgeführt ist, die jeweils mit einer
Druckausgleichsfläche
und jeweils einem dieser Druckausgleichsfläche zugeordneten Druckausgleichskolben
ausgeführt
sind; und
5 eine
Weiterbildung des in 4 dargestellten Ventils, wobei
der Druckausgleichskolben der Ventilaußennadeln und die Ventilinnennadel
einstückig
ausgeführt
sind.
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
In 1 ist
ein Ventil 1 zum Steuern von Flüssigkeiten bzw. ein Kraftstoffeinspritzventil
für Brennkraftmaschinen
mit einem Ventilkörper 2 und einer
in dem Ventilkörper 2 längsbeweglich
angeordneten Ventilnadel 3 dargestellt. Die Ventilnadel 3 wirkt
derart mit einem Dichtsitz 4 zusammen, dass bei Anlage
der Ventilnadel 3 an dem Dichtsitz 4 ein von der
Ventilnadel 3 und dem Ventilkörper 2 begrenzter
Kraftstoffzuführbereich 5 von
einem ebenfalls von dem Ventilkörper 2 und
der Ventilnadel 3 begrenzten Kraftstoffraum 6,
der über
Einspritzöffnungen 7 des
Ventilkörpers 2 mit
einem nicht näher
dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine in Verbindung steht,
getrennt sind.
Die
Ventilnadel 3 ist in einem mit dem Kraftstoffraum 6 verbundenen
Bereich 8 mit einer Druckausgleichsfläche 9 ausgeführt, die
bei geöffnetem Dichtsitz 4 mit
unter Hochdruck in den Kraftstoffraum 6 zugeführtem Kraftstoff
derart beaufschlagt wird, dass an der Ventilnadel 3 im
Bereich der Druckausgleichsfläche 9 eine
in Schließrichtung
des Dichtsitzes 4 wirkende Kraft angreift. Des Weiteren
ist im Bereich der Druckausgleichsfläche 9 ein Druckausgleichskolben 10 vorgesehen,
an dessen dem Kraftstoffraum 6 zugewandter Stirnfläche 11 sich
die an der Druckausgleichsfläche 9 in
Schließrichtung
des Dichtsitzes 4 wirkende Kraft abstützt.
Der
Druckausgleichskolben 10 ist in einer mittigen Bohrung
der Ventilnadel 3 angeordnet und vorzugsweise derart mit
dem Ventilkörper 2 wirkverbunden,
dass der Druckausgleichskolben 10 bei anliegendem Hochdruck
nicht in Längsrichtung
des Kraftstoffeinspritzventils 1 bewegt wird. Darüber hinaus
ist der Druckausgleichskolben 10 derart in dem Ventilkörper 2 angeordnet
und in Bezug auf die Ventilnadel 3 derart positioniert,
dass wenigstens ein Teil einer mit dem in dem Kraftstoffraum 6 bzw.
dem Bereich 8 unter Hochdruck zugeführten Kraftstoff beaufschlagbaren
Stirnfläche
der Ventilnadel 3, an der bei geöffnetem Dichtsitz 4 aufgrund
des anliegenden Hochdrucks eine die Ventilnadel 3 in Öffnungsrichtung
des Dichtsitzes 4 wirkende Kraft anliegt, von der Stirnfläche 11 des
Druckausgleichskolbens 10 gegenüber dem Kraftstoff abgeschirmt
ist.
Die
Druckausgleichsfläche 9 ist
vorliegend als eine Druckschulter der als Stufenbohrung in der Ventilnadel 3 ausgeführten zentralen
Bohrung der Ventilnadel 3 ausgebildet, wobei der Druckausgleichskolben 10 in
einem Teil der Stufenbohrung angeordnet ist, der einen größeren Durchmesser
aufweist, als der Teil der Stufenbohrung, der eine Verbindungsleitung
zwischen der Druckausgleichsfläche 9 bzw.
dem Bereich 8 und dem Kraftstoffraum 6 außerhalb
der Ventilnadel 3 darstellt.
Zusätzlich ist
es vorgesehen, dass die Druckausgleichsfläche 9 derart nah am
Dichtsitz 4 des Ventilkörpers 2 angeordnet
ist, dass der auf die Druckausgleichsfläche 9 wirkende Druck
wenigstens annähernd
dem am Dichtsitz 4 anliegenden Druck entspricht. Damit
wird einerseits erreicht, dass ein zusätzliches so genanntes Schadvolumen
im Inneren des Kraftstoffeinspritzventils 1 möglichst
gering ist und die bei geöffnetem
Dichtsitz 4 des Ventilkörpers 2 an
der Ventilnadel 3 anliegenden hydraulischen Öffnungskräfte in erwünschtem
Umfang im Vergleich zu herkömmlichen
Ventilen reduziert werden.
Bei
der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kraftstoffeinspritzventils 1 liegt
bei geschlossenem Dichtsitz 4 der unter Hochdruck zugeführte Kraftstoff
in dem Kraftstoffzuführbereich 5 bis
zum Dichtsitz 4 an der Ventilnadel 3 an. Im Kraftstoffraum 6,
d. h. bezogen auf den Kraftstoffzuführbereich 5 auf der
gegenüberliegenden
Seite des Dichtsitzes 4, liegt ein dem Druck im Brennraum
der Brennkraftmaschine entsprechender Druckwert vor, der sich über die
Einspritzöffnungen 7 im
Kraftstoffraum 6 bei geschlossenem Dichtsitz 4 einstellt.
Wird
der Dichtsitz 4 durch ein Abheben der Ventilnadel 3 von
dem Dichtsitz 4 geöffnet,
strömt
der im Kraftstoffzuführbereich 5 unter
Hochdruck stehende Kraftstoff in den Kraftstoffraum 6 sowie
in den Bereich 8 der Ventilnadel 3 ein, so dass
der Druck vor und nach dem Dichtsitz 4 gleich ist. Aufgrund
der Druckausgleichsfläche 9 der
Ventilnadel 3 im Bereich 8 und der Anordnung des
Druckausgleichskolbens 10 werden die an der Ventilnadel 3 angreifenden
hydraulischen Kräfte
bei geöffnetem
Dichtsitz 4 im Vergleich zu einem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1 bei
geschlossenem Dichtsitz 4 nicht bzw. nur in einem derart
geringen Umfang erhöht,
dass die von einer Aktuatorik des Kraftstoffeinspritzventils 1 zum Schließen des
Kraftstoffeinspritzventils 1 aufzubringenden Steuerkräfte im Vergleich
zu herkömmlich ausgeführten Ventilen
geringer sind.
Des
Weiteren ist ein Abstand zwischen der Druckausgleichsfläche 9 und
dem Dichtsitz 4 sowie ein Durchmesser der Verbindungsleitung 12 derart ausgeführt, dass
ein Druckverlust bei geöffnetem Dichtsitz 4 zwischen
diesem und der Druckausgleichsfläche 9 derart
gering ist, dass der im Bereich des Dichtsitzes 4 vorliegende
Druck im Wesentlichen dem an der Druckausgleichsfläche 9 anliegenden Druckwert
entspricht. Damit ist gewährleistet,
dass die an der Ventilnadel 3 bei geöffnetem Dichtsitz 4 anliegenden
hydraulischen Kräfte
durch das Öffnen des
Ventils 1 nicht in unerwünschter Art und Weise erhöht werden.
Bezug
nehmend auf 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäß ausgeführten Kraftstoffeinspritzventils 1 dargestellt,
welches im Unterschied zu der Ausführung gemäß 1 mit zwei
Ventilnadeln 3A und 3B ausgeführt ist. Die Ventilnadeln 3A und 3B sind
koaxial zueinander im Ventilkörper 2 angeordnet,
wobei die erste Ventilnadel 3A eine Ventilaußennadel
und die zweite Ventilnadel 3B eine so genannte Ventilinnennadel darstellt.
Das
in 2 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil 1 unterscheidet
sich von dem in 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzventil
in dem dargestellten Bereich konstruktiv dadurch, dass die Ventilnadel 3 des
Kraftstoffeinspritzventils 1 gemäß 1 von einer
Außenventilnadel,
d. h. vorliegend der Außenventilnadel 3A,
umgeben ist. Ansonsten entspricht die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Ventilinnennadel 3B des Kraftstoffeinspritzventils 1 gemäß 2 und
deren Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Funktion der Ventilnadel 3 des
Ventils gemäß 1.
Darüber
hinaus entspricht die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils 1 gemäß 2 den
aus dem Stand der Technik bekannten Ventilen, die mit zwei koaxial
zueinander angeordneten Ventilnadeln ausgeführt sind.
Bei
dem in 2 dargestellten Kraftstoffeinspritzventil 1 ist
der in 1 dargestellte Kraftstoffraum durch einen Dichtsitz 4B der
Ventilinnennadel 3B in zwei Teilbereiche, d. h. in den
ersten Kraftstoffraum 6A und den zweiten Kraftstoffraum 6B unterteilt,
wobei der erste Kraftstoffraum 6A im Bereich eines der
Ventilaußennadel 3A zugeordneten
Dichtsitzes 4A des Ventilkörpers 2 von dem Kraftstoffzuführbereich 5 des
Kraftstoffeinspritzventils 1 bei anliegender Ventilaußennadel 3A an
dem Dichtsitz 4A des Ventilkörpers 2 getrennt ist.
Bei
entsprechender Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils 1 wird
die Ventilaußennadel 3A von
dem Dichtsitz 4A des Ventilkörpers 2 abgehoben und
der nunmehr in den ersten Kraftstoffraum 6A unter Hochdruck
zugeführte
Kraftstoff wird über
Einspritzöffnungen 7A des
Ventilkörpers 2 in
den Brennraum eingespritzt. Bei weiterer Ansteuerung wird auch die
Ventilinnennadel 3B von ihrem zugeordneten Dichtsitz 4B des
Ventilkörpers 2 abgehoben,
so dass auch in den zweiten Kraftstoffraum 6B, die Verbindungsleitung 12 und
den Bereich 8 Kraftstoff unter Hochdruck eingeleitet wird,
wobei und der in den zweiten Kraftstoffraum 6B einströmende Kraftstoff über Einspritzöffnungen 7B des
Ventilkörpers 2 in den
Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Bei
direktem Vergleich der an der Ventilaußennadel 3A und an
der Ventilinnenadel 3B bei geöffneten Dichtsitzen 4A und 4B angreifenden
hydraulischen Kräfte
wird der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Ventilinnennadel 3B deutlich, da
die an der Ventilaußennadel 3A bei
geöffnetem Dichtsitz 4A in Öffnungsrichtung
des Dichtsitzes 4A angreifenden hydraulischen Kräfte im Vergleich
zu den an der Ventilinnennadel 3B bei geöffnetem
Dichtsitz 4B in Öffnungsrichtung
des Dichtsitzes 4B wirkenden hydraulischen Kräfte gegenüber dem
Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1 bei geschlossenen
Dichtsitzen 4A bzw. 4B erheblich stärker ansteigt.
Dies
resultiert aus der Tatsache, dass die Ventilinnennadel 3B mit
der Druckausgleichsfläche 9 ausgeführt ist,
an dem der bei geöffnetem
Dichtsitz 9B in dem Bereich 8 unter Hochdruck
einströmende Kraftstoff
eine in Schließrichtung
des Dichtsitzes 4B wirkende Kraft anliegt, die wiederum
der an der dem zweiten Kraftstoffraum 6B zugewandten Stirnfläche der
Ventilnadel 3B in Öffnungsrichtung
des Dichtsitzes 4B wirkenden Kraft entgegengerichtet ist.
Vorliegend
ist unter der dem zweiten Kraftstoffraum 6B zugewandten
Stirnfläche
der Ventilinnennadel 3B der Durchmesserbereich der Ventilinnennadel 3B zu
verstehen, der dem Durchmesser des der Ventilinnennadel 3B zugeordneten
Dichtsitz 4B entspricht, da diese Stirnfläche erst
bei geöffnetem
Dichtsitz 4B von unter Hochdruck in den zweiten Kraftstoffraum 6B zugeführten Kraftstoff
beaufschlagt wird.
In 3 ist
eine Weiterbildung des in 2 dargestellten
Kraftstoffeinspritzventils 1 gezeigt, bei der der Druckausgleichskolben 10 einen
in die Verbindungsleitung 12 eingreifenden stiftförmigen Fortsatz 13 aufweist
und die mittige Bohrung der Ventilinnennadel 3B, in welcher
der Druckausgleichskolben 10 angeordnet ist, ausfüllt. Damit
wird ein so genanntes Schadvolumen im Inneren des Kraftstoffeinspritzventils 1 reduziert,
wodurch ein präziser
Einspritzvorgang gewährleistet
ist.
Ein
viertes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäß ausgeführten Kraftstoffeinspritzventils ist
in 4 dargestellt, wobei diese Ausführungsform eine
Weiterbildung der in 2 und 3 dargestellten
Kraftstoffeinspritzventile ist.
Die
Ventilnadeln 3A und 3B sind bei dem in 4 dargestellten
Kraftstoffeinspritzventil 1 jeweils mit einem Bereich 8A, 8B,
mit einer Druckausgleichsfläche 9A bzw. 9B,
mit einem Druckausgleichskolben 10A bzw. 10B und
den Stirnflächen 11A bzw. 11B sowie
mit einer Verbindungsleitung 12A, 12B ausgeführt. Damit
wird erreicht, dass sich sowohl beim Öffnen des mit der Ventilaußennadel 3A zusammenwirkenden
Dichtsitzes 4A die an der Ventilaußennadel 3A wirkenden
hydraulischen Kräfte
als auch beim Öffnen
des der Ventilinnennadel 3B zugeordneten Dichtsitzes 4B die
an der Ventilinnennadel 3B angreifenden und in Öffnungsrichtung
des Dichtsitzes 4B wirkenden hydraulischen Kräfte im Vergleich
zu dem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1 bei geschlossenem
Dichtsitz 4A bzw. bei geschlossenem Dichtsitz 4B nur
unwesentlich bzw. überhaupt
nicht verändern.
Der
in der Ventilinnennadel 3B angeordnete Druckausgleichskolben 10B ist
mit einem stiftförmigen
Fortsatz 13 ausgeführt,
der gegen eine Aufnahmefläche
bzw. eine Sitzfläche 14 des
Ventilkörpers 2 gedrückt ist,
so dass der Druckausgleichskolben 10B der Ventilinnennadel 3B ein
Schadvolumen sowohl im Bereich 8 und der Verbindungsleitung 12 als
auch im Sackloch des Ventilkörpers 2 bzw.
im Bereich des zweiten Kraftstoffraums 6B reduziert. Zusätzlich wird der
Druckausgleichskolben 10B durch die Wirkverbindung mit
dem Ventilkörper 2 über sein
in den zweiten Kraftstoffraum 6B vorkragendes Ende derart
von dem Ventilkörper 2 geführt bzw.
gelagert, dass der Druckausgleichskolben 10B als Führungselement
für die
Ventilinnennadel 3B eingesetzt werden kann.
Bezug
nehmend auf 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgeführten Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt, wobei diese Ausführungsform
eine Weiterbildung des in 4 dargestellten
Kraftstoffeinspritzventils darstellt und sich von der in 4 dargestellten
Ausführungsform
darin unterscheidet, dass der der Ventilaußennadel 3A zugeordnete
Druckausgleichskolben 10A einstückig mit der Ventilinnennadel 3B ausgeführt ist und
somit mit dieser wirkverbunden ist. Diese Ausgestaltung stellt eine
fertigungstechnisch günstiger
herzustellende Ausführungsform
im Vergleich zu dem in 4 dargestellten Kraftstoffeinspritzventil
dar. Gleichzeitig ist die Ventilinnennadel 3B gemäß 5 in
platzsparender Art und Weise mit einer größeren in Öffnungsrichtung des Ventilsitzes 4B mit
Kraftstoff beaufschlagbaren Stirnfläche als bei der Ausführung gemäß 4 ausführbar, so
dass bei geöffnetem Dichtsitz 4A an
der Ventilinnennadel 4B eine größere und in Öffnungsrichtung
wirkende Kraft anliegt als dies bei der Ventilinnennadel 4B gemäß 4 der Fall
ist.