-
Es
ist bekannt zur Steuerung von Einspritzinjektoren für Brennkraftmaschinen
ein Steuerventil zu verwenden, das die Stellbewegungen des Ventilschließglieds
steuert. Ein derartiges Steuerventil verfügt über einen hubbeweglichen, Steuerkolben,
der zum Beispiel solenoid- oder piezobetätigt sein kann. Der Steuerkolben
liegt mit einer Stirnseite im Bereich eines Schließkopfs in
einem Druckraum, auf den ein gedrosselter, von einem Steuerraum
des Ventilschließglieds
ausgehender hochdruckseitiger Zulauf ausmündet, und von dem ein gedrosselter
und durch den Steuerkolben gesteuerter Ablauf abgeht. Der Steuerraum
des Ventilschließglieds
steht in gedrosselter Verbindung mit einer Hochdruckleitung. Die Stellbewegungen
des Steuerkolbens bewirken Druckänderungen
in dem an das Ventilschließglied angrenzenden
Steuerraum und entsprechende Kräfte
auf die Rückseite
des Ventilschließglieds.
Ist der Ablauf des Druckraums geöffnet,
wird der Druck im Druckraum abgebaut und gleichzeitig der auf die Rückseite
des Ventilschließglieds
wirkende Druck erniedrigt, was zum Öffnen des Ventilschließglieds führt. Wird
der Ablauf durch den Schließkopf
des Steuerkolbens wieder verschlossen, erhöht sich der Druck im Druckraum
und zugleich in dem auf der Rückseite
des Ventilschließglieds
liegenden Steuerraum, was zum Schließen des Ventilschließglieds führt.
-
Ein
solches Steuerventil ist beispielsweise in der
US 5,934,643 dargestellt. Der Steuerkolben
ist an einem einer Gehäusewand
gegenüberliegenden Schließkopf mit
einem Dichtrand ausgebildet, der, im Anschlag an der Gehäusewand
befindlich, einen Druckraum gegen den Mündungsbereich eines Niederdruckanschlusses
abdichtet. Der auf dem Umfang des Steuerkolbens gelegene Druckraum
steht mit dem Hochdruckanschluss in Verbindung, der zu dem auf der
Rückseite
des Ventilschließglieds
des Injektors liegenden Steuerraum führt, der seinerseits über eine
gedrosselte Zuführung
mit einem kraftstoffführenden
Hochdruckkanal in Verbindung steht. Der auf der Stirnseite des Schließkopfs liegende
Dichtrand besitzt in einer Ausgestaltung eine ebene ringförmige Anlagefläche, die
sich auf der ebenen Gehäusewand abstützt. In
einer anderen Ausgestaltung ist der Dichtrand mit einer Schneide
ausgebildet. In dieser letzteren Ausführung wird der Niederdruckanschluss jedoch
durch eine Innenbohrung des Steuerkolbens gebildet. Der Außendurchmesser
des den Dichtrand tragenden Schließkopfs entspricht offensichtlich
dem Führungsdurchmesser
des Steuerkolbens. Bei derartigen Ausgestaltungen ergibt sich mit
der Zeit eine Verringerung der Schließkraft mit der Folge einer
verringerten Dichtwirkung, weil auf Grund des Verschleißes der
Dichtkante der dichtende Durchmesser kleiner wird, was ein gänzliches
Versagen aufgrund nicht mehr zum Schließen ausreichender Kräfte bewirken kann.
Die Verringerung der Schließkraft
ist dadurch bedingt, dass eine zusätzliche Fläche mit Kraftstoffdruck beaufschlagt
ist, wodurch entgegen der Schließrichtung wirkende Kräfte entstehen,
die durch die Steuerventilfeder nicht ausgeglichen werden können.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, durch Erhöhung der Schließkraft eine
zuverlässige Abdichtung
auch bei längerer
Betriebszeit und Verschleiß der
Dichtkante zu gewährleisten.
-
Dieses
Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale
dadurch gelöst, dass
der Schließkopfdurchmesser
größer als
der Führungsdurchmesser
des Steuerkolbens ausgeführt
ist, und die Durchmesserstufe, die dem Rücksprung vom Schließkopfdurchmesser
auf den Führungsdurchmesser
entspricht, im Druckraum angeordnet ist. Dadurch wirkt der im Druckraum
anliegende Druck auf die Druckmesserstufe, wodurch eine Kraft in
Schließrichtung
zusätzlich
zur Schließkraft
einer Steuerventilfeder erzeugt wird. Voraussetzung ist, dass der
dichtende Durchmesser größer als
der Führungsdurchmesser
ist, was bei einem erfindungsgemäßen Schließkopfdurchmesser
realisierbar ist.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die
Ausgestaltung des Dichtrands nach Anspruch 2 mit halbkreisförmigem Querschnitt
ist besonders günstig
im Hinblick auf das Strömungsverhalten
und die Vermeidung von Kavitation. Zugleich verspricht diese Ausbildung
einen hohen Widerstand gegen Verschleiß bzw. plastische Verformung,
weil durch eine große
Materialansammlung in der Umgebung unmittelbar vor und hinter der
Dichtlinie eine hohe mechanische Festigkeit besteht.
-
Gemäß den Unteransprüchen 3 bis
7 weist der Dichtrand eine scharf begrenzte Anlagekante, eine Schneide
auf, die aus zwei gegeneinander geneigten Fasen gebildet wird. Die
Fasen können
dabei aus geraden Abschnitten oder konvexen Abschnitten ausgebildet
sein. Konvexe Abschnitte begünstigen das
Ein- und Ausströmverhalten
und helfen dadurch Kavitation zu vermeiden. Günstigere Durchflussbeiwerte,
die dadurch erreicht werden, bieten außerdem die Möglichkeit,
den erforderlichen Hub zu verkleinern.
-
Gemäß Anspruch
8 beträgt
der zwischen den Tangenten an die Fasen in der Schneide eingeschlossene
Winkel 90° oder
mehr aber weniger als 180°,
vorzugsweise 140° bis
179°. Dadurch
wird eine scharf begrenzte Anlageschneide gebildet.
-
Andrerseits
ist die vor und hinter der Schneide liegende Materialansammlung
bei diesen relativ großen
Winkeln groß genug,
um auch hohe Aufschlagkräfte
ohne starke plastische Verformungen des vor und hinter der Schneide
liegenden Materials aufnehmen zu können.
-
Gemäß den Ansprüchen 9 und
10 betragen die von den Tangenten an die Fasen in der Schneide und
von der den Anschlag bildenden Gehäusewand eingeschlossenen Winkel
zwischen 0,5° und
20°. Aufgrund
des relativ flachen Verlaufs beider Fasen ergibt sich wiederum der
Vorteil eines geringen Verschleißes bzw. geringer bleibender
Verformungen der den dichtenden Durchmesser darstellenden Schneide.
Denn die vor und hinter der Schneide liegende große Materialansammlung
bewirkt eine hohe Festigkeit. Dadurch wird eine Verlagerung des
dichtenden Durchmessers verringert, so dass die Veränderung
der Schließkräfte im Betrieb
ebenfalls minimiert wird.
-
Die
Fasen können
gemäß Anspruch
11 gleiche Winkel aufweisen. Durch die symmetrische Abplattung der
Schneide im Betrieb ist eine Verlagerung des dichtenden Durchmessers
nach innen oder außen
möglich.
Um immer eine ausreichende Schließkraft zu gewährleisten,
ist in diesem Fall eine ausreichende Durchmesserstufe vorzusehen.
-
Durch
die Verwendung von gegenüber
dem dichtenden Durchmesser außen
liegenden Fasen wird ein definierter Spalt gebildet, in dem der
Kraftstoffdruck anliegt. Durch Variation der Breite der Fase bzw.
des dichtenden Durchmessers kann die an der Durchmesserstufe nach
Anspruch 1 in Schließrichtung
wirkende Kraft nach Bedarf mehr oder weniger kompensiert werden.
Damit besteht eine einfache Möglichkeit,
die von der Steuerventilfeder aufzubringende erforderliche Schließkraft durch
entsprechende Dimensionierung der Fase anzupassen.
-
Die
Verwendung einer außen
liegenden Fase hat auch den Vorteil, dass die Möglichkeit besteht, die Auswirkung
des zu erwartenden Verschleißes
auf den dichtenden Durchmesser durch eine günstige Wahl der Fasenwinkelkombination
so zu beeinflussen, dass sich im Betrieb durch Verschleiß eine Vergrößerung des
dichtenden Durchmessers ergibt, was gleichbedeutend einer Erhöhung der Schließkräfte ist.
Dieses Ergebnis wird erzielt, wenn die außenliegende Fase nach Anspruch
12 sehr flach und die innen liegende Fase etwas steiler (α < β) verläuft. Bei
einer Abflachung der Schneide durch plastische Verformung gelangen
nämlich
zunächst
die außen
liegenden Fasenabschnitte mit geringerem lichtem Abstand zur Anlagefläche in Kontakt
mit der Anlagefläche
der den Dichtsitz bildenden Gehäusewand.
-
Umgekehrt
lässt sich
eine Verlagerung des dichtenden Durchmessers nach innen erzielen,
wenn gemäß Anspruch
13 die innen liegende Fase flacher verläuft als die außen liegende
Fase (α < β).
-
Außer dem
Fasenwinkel kann die Form der Fase Einfluss auf die Verlagerungsrichtung
des dichtenden Durchmessers nehmen. Gemäß Anspruch 14 werden deshalb
die Winkel der Fasen und/oder ihre Form so gewählt, dass sich auf Grund des
im Betrieb zu erwartenden Verschleißes eine Vergrößerung des dichtenden
Durchmessers ergibt. Dadurch wird einer Verkleinerung der Schließkräfte im Betrieb
entgegengewirkt.
-
Der
Dichtrand liegt nach Anspruch 15 vorzugsweise auf einem Durchmesser,
der dem Führungsdurchmesser
entspricht oder größer ist.
Die Wahl des geeigneten Durchmessers wird durch die durch die Steuerventilfeder
und die Druckkräfte
erzielbaren Schließkräfte festgelegt.
Mit der Wahl des Dichtranddurchmessers werden zugleich auch die Fasenbreiten
und damit die auf den Steuerkolben wirkenden Druckkräfte festgelegt.
-
Gemäß Anspruch
16 kann der Dichtrand auch auf einem Durchmesser liegen, der kleiner
als der Führungsdurchmesser
ist.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
Querschnittsansicht eines Injektors mit einem Steuerventil zur Steuerung
des Ventilschließglieds;
-
2 die Ausführung eines Steuerventils mit einem
Steuerkolben nach dem Stand der Technik gemäß 2a, wobei 2b ein
Detail der 2a darstellt;
-
3 eine
schematische Darstellung eines Steuerventils nach der Erfindung;
-
4 stellt, bestehend aus den Teilfiguren 4a bis 4d,
verschiedene Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Ventilschließkopfs des Steuerventils
dar.
-
Bei
dem in 1 im Längsschnitt
dargestellten Injektor dient ein Steuerventil 1, das mit
einem Steuerkolben 2 ausgebildet ist, zur Steuerung der Öffnungs-
und Schließbewegungen
des Ventilschließglieds 20.
Der Steuerraum 19 steht über eine Drossel mit einem
Hochdruckkanal in Verbindung, der unter Druck stehenden Kraftstoff
enthält.
Durch das Steuerventil 1 kann der Steuerraum 19 druckentlastet
werden, um eine Hubbewegung des Ventilschließglieds 20 auszulösen, das
dadurch von seinem Ventilsitz 23 abhebt. Die Druckentlastung
des Steuerraums 19 wird durch den Steuerkolben 2 des Steuerventil 1 gesteuert.
Der Steuerkolben 2 ist mit einem Stellantrieb, zum Beispiel
einem Anker eines nicht weiter dargestellten Magnetventils verbunden. Durch
Bestromung des Magnetventils hebt der Steuerkolben 2 gegen
die Kraft der Steuerventilfeder 24 von seinem Sitz ab und
gibt dadurch einen Niederdruckanschluss 16 frei. Mit der
Freigabe des Niederdruckanschlusses 16 fällt der
Druck in einem Druckraum 12, der über einen Hochdruckanschluss 15 mit dem
Steuerraum in Verbindung steht. Nach dem Bestromungsende drückt die
Steuerventilfeder 24 den Steuerkolben 2 wieder
dichtend an die Ventilplatte 14 an, die eine Gehäusewand 13 des
Druckraums 12 darstellt. Der Druck im Druckraum 12 und
Steuerraum 19 steigt und damit die am Ventilschließglied 20 in
Schließrichtung
wirkende Kraft.
-
In
der 2, die aus den 2a und 2b besteht,
ist der Steuerkolben 2 des Steuerventils 1 im Bereich
des Dichtsitzes dargestellt. Der Steuerkolben 2 wird in
einer Bohrung 3 längsbeweglich
geführt.
Die Bohrung 3 befindet sich im Steuerventilgehäuse 11.
Der Steuerkolben 2 liegt mit einem Teilbereich der Stirnfläche 10 auf
der Ventilplatte 14 an und überdeckt dichtend den Niederdruckanschluss 16.
In der dargestellten Stellung verhindert der Steuerkolben 2 den Übertritt
von über
einen Hochdruckanschluss 16 in den Druckraum 12 geführtem Kraftstoff zum
Niederdruckanschluss.
-
2b zeigt
das in 2a eingekreiste Detail. Nach
einer gewissen Betriebsdauer bildet sich durch plastische Verformung
in Folge des Aufschlagimpulses oder durch sonstigen Verschleiß, beispielsweise
Kavitationserosion, ein Spalt, so dass die tatsächliche Dichtzone 5 nach
innen wandert. Da sich damit auch der dichtende Durchmesser nach
innen verlagert, entsteht durch den im Spalt wirkenden Kraftstoffdruck
eine gegen die Steuerventilfeder 24 gerichtete Druckkraft,
welche den Steuerkolben 2 anheben will. Dadurch wird die
Dichtkraft geringer, die Dichtsitzleckage steigt mit unzulässiger Änderung der
Steuerzeiten und im Extremfall wird der Steuerkolben 2 sogar
ganz angehoben, was zum Versagen des Steuerventils 1 führt.
-
3 zeigt
ein Steuerventil 1, das mit einem erfindungsgemäßen Steuerkolben 2 ausgebildet
ist, dessen Schließkopf 4 mit
einem Schließkopfdurchmesser 6 ausgebildet
ist, der größer ist
als der Führungsdurchmesser 7,
auf dem der Steuerkolben 2 in der Bohrung 3 geführt ist.
Die Durchmesserstufe 27, die dem Rücksprung vom Schließkopfdurchmesser 6 auf
den Führungsdurchmesser 7 entspricht,
liegt im Druckraum 12. Durch die an der Durchmesserstufe 27 angreifenden
Druckkräfte
wird die Dichtkraft erhöht.
Voraussetzung ist, dass der Dichtrand 5 auf einem größeren Durchmesser
liegt als der Führungsdurchmesser 7.
Bei der Wahl des Dichtranddurchmessers 5 ist natürlich darauf
zu achten, dass die vom Magneten des Magnetventils aufzubringenden Anzugskräfte die
von der Steuerventilfeder 24 und den an der Durchmesserstufe 27 wirkenden
Druckkräften übersteigen
können.
Der dichtende Durchmesser wird von der Gehäusewand 13 der Ventilplatte 14 und
einer die Stirnfläche 10 überragenden Schneide
des Schließkopfs 4 gebildet,
die durch zwei gegeneinander geneigte Fasen 8 und 9 dargestellt wird.
Die außenliegende
Fase 8 ist dabei dem im Druckraum 12 herrschenden
Kraftstoffdruck ausgesetzt, so dass hier in Öffnungsrichtung wirkende Druckkräfte wirken,
die den an der Durchmesserstufe 27 wirkenden Druckkräften entgegengesetzt
sind. Durch die Fasenbreite der äußeren Fase
lassen sich somit variabel, ohne die Steuerventilfeder 24 zu ändern, unterschiedliche
Dichtkräfte
realisieren.
-
Des
weiteren kann durch unterschiedliche Fasenwinkelkombinationen und
Fasenformen bestimmt werden, ob sich der dichtende Durchmesser im
Betrieb durch plastische Verformung oder sonstige Verschleißerscheinungen
der Dichtschneide vergrößert oder
verkleinert. Der Dichtrand 5 bzw. die dichtende Schneide
wird durch zwei gegeneinander geneigte Fasen ausgebildet, eine außenliegende Fase 8 und
eine innenliegende Fase 9. Die Tangenten 25 und 26 an
die Fasen 9 und 10 in der Schneide bilden mit
der Gehäusewand 12 einen
Winkel α und einen
Winkel β.
Die derart gebildeten Winkel liegen vorzugsweise im Bereich zwischen
0,5° und
20°. Grundsätzlich sind
aber auch beliebige andere Winkel denkbar. Der Winkel zwischen den
Tangenten ergibt sich vorzugsweise zu 179 bis 140 Grad, also einem
relativ stumpfen Winkel. Dieser relativ stumpfe Winkel hat den Vorteil,
dass einerseits eine scharf begrenzte Schneide mit einer Dichtlinie
gebildet wird, die den dichtenden Durchmesser definiert. Die vor und
hinter der Schneide liegende Materialansammlung ist aber auch groß genug,
dass eine hohe Festigkeit erzielt wird, so dass die Abplattung der
Schneide im Betrieb durch plastische Verformung minimiert wird.
-
Die
Winkel α und β können gleich
groß gewählt werden.
Durch unterschiedliche Wahl der Winkel kann jedoch eine Verlagerungsrichtung
des dichtenden Durchmessers festgelegt werden. Es ist davon auszugehen,
dass der dichtende Durchmesser sich in Richtung der flacheren Fase
verlagert, da der lichte Abstand zwischen Fase und Gehäusewandanschlag
dort geringer ist und bei einer plastischen Abplattung der Schneide
die flacheren Fasenabschnitte zuerst in Anlage gelangen. Wenn also
eine Vergrößerung des
dichtenden Durchmessers im Betrieb erzielt werden soll, wird der
Winkel α an
der äußeren Fase kleiner
als der Winkel β an
der inneren Fase zu wählen
sein. Dadurch erhöht
sich im Laufe der Zeit die Dichtkraft, da die an der Durchmesserstufe 27 wirkende
Druckkraft in geringerem Maße
kompensiert wird. Umgekehrt wird sich dagegen eine Verringerung
des dichtenden Durchmessers ergeben, wenn die innere Fase mit einem
kleineren Winkel β ausgebildet
wird als der Winkel α der äußeren Fase
beträgt.
-
Die
Verlagerung des dichtenden Durchmessers kann aber auch noch von
anderen Faktoren abhängen.
Es ist denkbar, dass die Verlagerung des dichtenden Durchmessers
aufgrund anderer Einflussfaktoren umgekehrt zu oben beschriebener Richtung
verläuft.
Entscheidend ist offensichtlich, wie groß die Stützung der Fase durch das davor
und dahinter anschließende
Werkstoffmaterial ist. Dabei kann auch die Form der Fase eine Rolle
spielen.
-
Die
Fasen können
nicht nur mit geraden Abschnitten, sondern auch mit einem Radius
ausgebildet sein, wie die 4a, 4b und 4d zeigen. Bei
der Ausbildung nach 4a ist die außenliegende
Fase konvex gekrümmt
und die innere Fase besitzt einen geraden Abschnitt. Bei der Ausbildung nach 4b ist
die außenliegende
Fase mit einem geraden Abschnitt und die innenliegende Fase 9 mit einem
konvexen Abschnitt ausgebildet. Bei der Ausbildung nach 4c werden
die Fasen von zwei geraden Abschnitten gebildet. Bei der Ausbildung
nach 4d der Dichtrand 5 halbkreisförmig im
Querschnitt.
-
- 1
- Steuerventil
- 2
- Steuerkolben
- 3
- Bohrung
- 4
- Schließkopf
- 5
- Dichtrand
- 6
- Schließkopfdurchmesser
- 7
- Führungsdurchmesser
- 8
- Fase,
außen
- 9
- Fase,
innen
- 10
- Stirnfläche
- 11
- Steuerventilgehäuse
- 12
- Druckraum
- 13
- Gehäusewand
- 14
- Ventilplatte
- 15
- Hochdruckanschluss
- 16
- Niederdruckanschluss
- 17
- Mündung
- 18
- Hochdruckkanal
- 19
- Steuerraum
- 20
- Ventilschließglied
- 21
-
- 22
- Ventilfeder
- 23
- Ventilsitz
- 24
- Steuerventilfeder
- 25
- Tangente,
innen
- 26
- Tangente,
außen
- 27
- Durchmesserstufe