DE102004042189A1 - Valve - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Servoventil für einen Kraftstoff-Injektor im Kraftfahrzeugbau. Das erfindungsgemäße Ventil umfasst ein axial bewegbares Ventilglied (10) und einen Ventilkörper (15), der eine Durchlassbohrung (25) und einen Dichtsitz (20) aufweist, an welchem ein Dichtabschnitt (35) eines freien Endabschnitts des Ventilglieds (10) in einer Schließstellung des Ventils dichtend ansitzt. Der freie Endabschnitt des Ventilglieds (10) weist in der Schließstellung des Ventils einen sich in die Durchlassbohrung (25) hinein- oder sich durch diese hindurcherstreckenden profilierten Abschnitt (30) auf, der innerhalb der Durchlassbohrung (25) derart positionierbar ist, dass der profilierte Abschnitt (30) in Abhängigkeit seines Profils und einem Hub des Ventilglieds (10) in der Durchlassbohrung (25) einen variablen Durchflussquerschnitt eröffnet.The invention relates to a valve, in particular a servo valve for a fuel injector in motor vehicle construction. The valve according to the invention comprises an axially movable valve member (10) and a valve body (15) having a passage bore (25) and a sealing seat (20) on which a sealing portion (35) of a free end portion of the valve member (10) in a closed position the valve seated sealingly. The free end portion of the valve member (10) has, in the closed position of the valve, a profiled portion (30) extending into or through the passage bore (25) and positionable within the passage bore (25) such that the profiled one Section (30) depending on its profile and a stroke of the valve member (10) in the passage bore (25) opens a variable flow area.
Description
Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Servoventil für einen Kraftstoff-Injektor im Kraftfahrzeugbau.The The invention relates to a valve, in particular a servo valve for a Fuel injector in motor vehicle construction.
In der Kraftfahrzeugtechnik sind Kraftstoff-Injektoren mit digital schaltenden Servoventilen bekannt, die nur zwei Stellungen eines Ventilglieds erlauben, eine vollständig geöffnete oder eine vollständig geschlossene. Dies schränkt die Möglichkeiten der Kraftstoffeinspritzung, insbesondere in Bezug auf Zeitdauer (v. a. bei kurzen Einspritzzeiten) und Einspritzmenge in einen Brennraum stark ein. Durch das nahezu digitale Öffnen der Ventilnadel kommt es in Steuerräumen des Injektors zu schlagartigen Druckabfällen, was eine Dosierung von Kleinstmengen nahezu unmöglich macht, die insbesondere für Vor- und Nacheinspritzungen notwendig ist.In Automotive technology are fuel injectors with digital switching servo valves known only two positions one Valve member allow a fully open or fully closed. This restricts the possibilities of Fuel injection, in particular with respect to duration (v. a. with short injection times) and injection quantity into a combustion chamber strong. Due to the almost digital opening of the valve needle comes it in control rooms the injector to sudden pressure drops, resulting in a dosage of Small amounts almost impossible makes that particular for Pre and post injections is necessary.
Dies führt zu einem erhöhten Verbrauch des Motors und darüber hinaus, aufgrund nicht optimaler Verbrennung, zusätzlich zu erhöhten Abgasemissionen des Fahrzeugs und zu erhöhten Geräuschemissionen, da ein vergleichsweise langsames Öffnen und ein schnelles Schließen der Düsennadel bzw. eine Voreinspritzung nicht möglich sind. Ferner weisen solche Konzepte hohe Schaltleckageströme auf (nur ein Bruchteil des pro Kurbelwellenumdrehung geförderten Kraftstoffs wird tatsächlich in den Motor eingespritzt), die die Hochdruckpumpe (Leistungsaufnahme bei Volllast ca. 3 bis 10 kW) erneut komprimieren und fördern muss.This leads to an increased Consumption of the engine and above in addition, due to not optimal combustion, in addition to increased Exhaust emissions of the vehicle and to increased noise emissions, as a comparatively slow opening and a quick closing the nozzle needle or a pre-injection are not possible. Furthermore, such Concepts high switching leakage currents on (only a fraction of the per crankshaft revolution funded Fuel is actually injected into the engine), which the high-pressure pump (power consumption at full load approx. 3 to 10 kW) must compress and feed again.
Diesen schlagartigen Druckabfällen kann durch Zu- und Ablaufdrosseln am Servoventil begegnet werden. Da die Drosseln aber konstante Querschnitte aufweisen, ist die Flexibilität, insbesondere bei Konzepten mit zwei Düsennadeln, die ein langsames Öffnen der ersten Düsennadel und ein schlagartiges Öffnen der zweiten Düsennadel erfordern, stark eingeschränkt. Nur für einen Punkt im Kennfeld können optimale Bedingungen erzielt werden.this sudden pressure drops can be countered by inlet and outlet throttles on the servo valve. But since the throttles have constant cross sections, the flexibility is, especially at Concepts with two nozzle needles, the slow opening the first nozzle needle and a sudden opening the second nozzle needle require, severely restricted. Only for a point in the map can optimal conditions are achieved.
Ferner
ist aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil, z. B. für einen Kraftstoff-Injektor eines Common-Rail-Einspritzsystems, zur Verfügung zu stellen, dass zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, der Abgasemissionen und der Geräuschemissionen eine möglichst flexible Einspritzung, vor allem in Bezug auf Einspritzmenge, -dauer und Art (getaktet/nicht getaktet, mit/ohne Vor-/Nacheinspritzung, Gestaltung des Düsennadelhubs in Abhängigkeit von der Zeit), mit möglichst wenig Schaltleckage ermöglicht.Of the Invention is therefore based on the object, a valve, for. B. for one Fuel injector of a common-rail injection system, available too put that to reduce fuel consumption, exhaust emissions and the noise emissions one possible flexible injection, especially in terms of injection quantity, duration and type (clocked / not clocked, with / without pre / post injection, Design of the nozzle needle stroke dependent on from the time), with as possible low switching leakage allows.
Diese Aufgabe wird mit einem Ventil gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen Erfindungsgemäß ist eine besondere Profil-Ausgestaltung eines freien Endabschnitts eines beweglichen Ventilteils (Ventilglied) eines Ventils vorgesehen.These Task is solved with a valve according to claim 1. preferred Trainings are in the dependent claims According to the invention is a special profile design of a free end portion of a movable valve member (valve member) of a valve provided.
Bevorzugt ragt oder durchragt dieses Ventilteil in einer Schließstellung des Ventils eine Durchlassbohrung, wobei ein freier Endabschnitt des Ventilteils innerhalb der Durchlassbohrung derart angeordnet werden kann, dass ein Profilabschnitt des freien Endabschnitts in Abhängigkeit vom Hub des Ventilglieds und der Geometrie des Profilabschnitts einen variablen Durchflussquerschnitt eröffnet.Prefers protrudes or protrudes through this valve member in a closed position the valve has a passage bore, wherein a free end portion the valve member disposed within the passage bore such can be that a profile section of the free end section in dependence from the stroke of the valve member and the geometry of the profile section opens a variable flow area.
Mit Hilfe der Geometrie des Profilabschnitts wird der Abflussquerschnitt des Ventils durch Zusammenwirken dieser Geometrie mit dem Ventilgliedhub innerhalb der Durchlassbohrung definiert. Dieser Profilabschnitt kann den Durchfluss von Fluid durch das Ventil über weite Strecken des Ventilgliedhubs oder über den gesamten Hub des Ventilglieds hinweg drosseln.With Help of the geometry of the profile section becomes the discharge cross section the valve by interaction of this geometry with the valve member stroke within defines the passage bore. This profile section can the Flow of fluid through the valve over long distances of the valve member stroke or over the throttle the entire stroke of the valve member.
Hierdurch wird z. B. die Ablaufdrossel in einem Kraftstoff-Injektor überflüssig und das Ventil übernimmt zusätzlich die Funktion einer variablen Drossel, was es wiederum ermöglicht, nicht nur einen sondern eine Vielzahl von Punkten des Kennfeldes optimal umzusetzen. Mittels des erfindungsgemäßen Profilabschnitts bricht ein Druck in einem Steuerraum nicht mehr schlagartig zusammen, sondern baut sich entsprechend des drosselnden Profilabschnitts nur verzögert und auf ein beliebig wählbares Druckniveau ab, welches durch Abstimmung von Zu- und Ablaufvolumenstrom einstellbar ist. Mittels dieser Steuerdruck- bzw. Durchflussquerschnitt-Modulation lässt sich die Öffnungscharakteristik der Düsennadel(n) und damit die Einspritzrate beliebig an den Bedarf des Motors anpassen.hereby is z. B. the outlet throttle in a fuel injector superfluous and takes over the valve additionally the function of a variable throttle, which in turn allows not just one but a variety of points of the map optimal implement. By means of the profile section according to the invention breaks a pressure in a control room no longer abruptly together, but builds up according to the throttling profile section only delayed and to an arbitrary Pressure level, which by tuning of inflow and outflow volume is adjustable. By means of this control pressure or flow cross-section modulation can be the opening characteristic the nozzle needle (s) and thus adjust the injection rate arbitrarily to the needs of the engine.
Erfindungsgemäß kann die Durchflusskennlinie des Ventils über den gesamten Hub des Ventilglieds frei wählbar gestaltet werden, um so für möglichst viele Punkte im Kennfeld optimale Bedingungen zu erzielen.According to the invention, the Flow characteristic of the valve over the entire stroke of the valve member can be made freely selectable to so for preferably many points in the map to achieve optimal conditions.
Das Ventilglied ist direkt oder indirekt, insbesondere mittels eines piezoelektrischen Aktuators, bevorzugt teilhubweise hin- und herbewegbar.The Valve member is directly or indirectly, in particular by means of a piezoelectric actuator, preferably half-stroke reciprocating.
Ein Piezokristall lässt sich auch gegen hohe Drücke mit einfachen Mitteln teilhubweise oder auch kontinuierlich ansteuern, was z. B. die Konstruktion eines druckausgeglichenen Ventils überflüssig macht. Druckausgeglichene Ventile verursachen zusätzliche Leckagen, die die Leistung am Getriebe herabsetzen, also diejenige, die für die Fortbewegung des Fahrzeugs zur Verfügung steht.One Piezo crystal leaves also against high pressures drive with partial means or with continuous flow, what for. B. makes the construction of a pressure balanced valve superfluous. Pressure compensated valves cause additional leakage that affects performance reduce the gear, so the one for the movement of the vehicle to disposal stands.
Der Durchfluss durch das Ventil ist mittels Formgebung des Profilabschnittes und/oder der Durchlassbohrung nahezu beliebig einstellbar.Of the Flow through the valve is by means of shaping of the profile section and / or the passage bore almost arbitrarily adjustable.
Dies ermöglicht es für viele Punkte im Kennfeld optimale Bedingungen ohne großen konstruktiven Aufwand zu erzielen. Unter Formen die gleiche Drosselwirkung aufweisen, kann diejenige mit dem geringsten Verschleiß ausgewählt werden.This allows it for many points in the map optimal conditions without great constructive To achieve effort. Under forms have the same throttle effect, the one with the least wear can be selected.
In einer bevorzugten Ausführungsform entsteht zwischen dem profilierten Abschnitt in der Durchlassbohrung und der Innenwand der Durchlassbohrung ein im Wesentlichen hohlzylindrisches Spaltvolumen.In a preferred embodiment arises between the profiled section in the passage bore and the inner wall of the passage bore has a substantially hollow cylindrical gap volume.
Dies ist insbesondere bei Spannungsschwankungen der Aktuator-Antriebseinheit von Vorteil, da es somit möglich ist, für bestimmte Versorgungsspannungsbereiche immer den gleichen Durchflussquerschnitt zu eröffnen. D. h. auf eine exakte Spannungsversorgung kann verzichtet werden.This is especially at voltage fluctuations of the actuator drive unit advantageous as it is thus possible is for certain supply voltage ranges always the same flow cross-section to open. Ie. an exact voltage supply can be dispensed with.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der profilierte Abschnitt einen aus zwei spitzen Kegelstümpfen zusammengesetzten Fortsatz des freien Ventilgliedendes, der bevorzugt einstückig am freien Ende des Ventilglieds ausgebildet ist. Ein Kegelstumpf kann dabei einen zylindrischen Abschnitt aufweisen der für den kleinsten Ringspalt vorgesehen ist.at a preferred embodiment The profiled section comprises a composite of two pointed truncated cones Extension of the free valve member end, preferably in one piece on the free End of the valve member is formed. A truncated cone can do this a cylindrical portion provided for the smallest annular gap is.
Diese Form eignet sich hervorragend für eine Vor- und darauffolgende Haupteinspritzung. Für die Voreinspritzung sind Spaltweiten (aufgrund des Zylinderabschnitts) im ein bis zweistelligen μm-Bereich vorgesehen. Die einstückige Ausbildung am Ventilglied verleiht dem Ventil eine höhere Lebensdauer.These Shape is great for a pre and subsequent main injection. For the pre-injection are gap widths (due to the cylinder portion) provided in one to two-digit micron range. The one-piece Training on the valve member gives the valve a longer life.
Für eine "feine" Einstellung der Durchflusskennlinie, ist es vorteilhaft am Profilabschnitt einen Flächenanschliff vorzusehen. Wird dieser mit einem Winkel bezüglich der Ventilgliedachse ausgeführt, ist die Steigung der Durchflusskennlinie, insbesondere der linearen Abschnitte, in weiten Bereichen einstellbar.For a "fine" setting the Flow characteristic, it is advantageous on the profile section a Flächenanschliff provided. If this is at an angle with respect to the valve member axis executed is the slope of the flow characteristic, in particular the linear Sections, adjustable in wide ranges.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es für eine exakte Dosierung der Einspritz- bzw. Durchflussmenge und somit auch für die Bewegungskurve der Düsennadel in der Zeit von großem Vorteil wenn die sich verformenden Bauteile beim Öffnen des Ventils beim Ventilgliedteilhub mitberücksichtigt sind.In a preferred embodiment is it for an exact dosage of the injection or flow rate and thus also for the movement curve of the nozzle needle in the time of great Advantage if the deforming components when opening the Valve are taken into account when Ventilgliedteilhub.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below in embodiments with reference to FIG associated Drawing closer explained. Show it:
Der
Injektor
Im
Gegensatz zu
Das
Servoventil
Die
Das
Servoventil
Das
Ventilglied
Es
sei ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass der profilierte Abschnitt
- • bei einem druckausgeglichenen (Vorteil: ermöglichen aufgrund geringer Ventilbetätigungskräfte nur eine kleine Ausführung des Aktuators), außenöffnenden Servoventil zwischen dem fluiddichtenden Abschnitt des Ventils und dem zusätzlich geführten Kolben;
- • bei einem druckausgeglichenen, innenöffnenden Servoventil zwischen dem fluiddichtenden Abschnitt des Ventils und dem Richtung Aktuator weiterführendem Abschnitt des Ventilglieds (also gegenüber des zusätzlich geführten Kolbens) angeordnet ist; und
- • bei Servoventilen mit drei Anschlüssen können zwei (unterschiedlich) profilierte Abschnitte am Ventilglied vorgesehen sein, die wiederum je nach Bauart (druckausgeglichen/nicht druckausgeglichen, außenöffnend/innenöffnend, sowie Kombinationen davon) an unterschiedlichen Stellen des freien Endabschnitts des Ventilglieds angeordnet sein.
- In the case of a pressure-balanced (advantage: due to low valve actuation forces, only a small version of the actuator), an externally opening servovalve between the fluid-tight section of the valve and the additionally guided piston;
- In the case of a pressure-balanced, inwardly opening servovalve, between the fluid-sealing section of the valve and the section of the valve member which extends further away from the direction of the actuator (that is, with respect to the additionally guided piston) ordered is; and
- • For three-port servovalves, two (differently) profiled sections may be provided on the valve member, which in turn may be located at different locations on the free end portion of the valve member, depending on the design (pressure balanced / non-pressure balanced, external / internal opening, and combinations thereof).
Der
Abschnitt
Das
Servoventil
Die Öffnungs-
und/oder Schließgeschwindigkeit
der Düsennadel
So kann der profilierte Abschnitt z. B.: Stellenweise (rotations-)symmetrisch oder unsymmetrisch sein; die Profilstufen können harte Kanten (geringer Kantenradius oder Unstetigkeitsstellen (scharfe Kante)) oder weiche Kanten (größerer Kantenradius) aufweisen; Abschnittsweise kann der Profilabschnitt zylindrisch, kegelig, kegelstumpfförmig, ellipsoid, kugelig, tonnenförmig oder mit rotationssymetrischen Flächen höherer Ordnung ausgestaltet ist; es können sich Anschliffe darauf befinden; ein wieder Breiterwerden (Erhöhung des Durchmessers) des Abschnitts mit sich erhöhendem Ventilgliedhub ist möglich. Beliebige Kombinationen dieser Ausgestaltungen sind natürlich ebenso möglich, wie auch beliebige Volumina mit idealisiert unstetigen Flächenübergängen.So can the profiled section z. B: In places (rotationally) symmetrical or be asymmetrical; the treads can have hard edges (lower Edge radius or discontinuities (sharp edge)) or soft Edges (larger edge radius) exhibit; Sectionwise, the profile section can be cylindrical, conical, frustoconical, ellipsoid, spherical, barrel-shaped or designed with rotationally symmetric surfaces of higher order is; it can there are polishes on it; a widening again (increasing the Diameter) of the section with increasing Ventilgliedhub is possible. any Combinations of these embodiments are of course possible as well also any volumes with idealized discontinuous surface transitions.
Eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Servoventils
Das
Ventilglied
Der
Kegelstumpf
Die
Kegelstümpfe
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, weist der Kegelstumpf
Bei
Registerdüsen,
die meist durch ein Register-Servoventil angesteuert werden, ist
es ferner mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Profilabschnitts
Ferner
kann es notwendig sein, die Düsennadel
der ersten Stufe zwar langsam zu öffnen (s. o.), dann aber schnellstmöglich die
zweite Stufe der Registerdüse
durch Öffnen
einer zweiten Düsennadel hinzu
zu schalten. Hierbei kann es konzeptbedingt notwendig sein, dass
der Druck im ersten Steuerraum weiter abgesenkt werden muss, um überhaupt die
Kraft zum Öffnen
der zweiten Stufe zu erreichen, bzw. um die maximal zulässige Spannung
der Antriebseinheit, hier bevorzugt ein Piezokristall, nicht zu überschreiten.
Durch eine entsprechende Auslegung der Ventilgeometrie (z. B. gemäß
Für eine korrekte
Funktion des Servoventils
Diesem
Effekt kann man jedoch begegnen, indem beim Ventilöffnungsvorgang
die Bauteilelastizitäten
berücksichtigt
sind und der Ventilhub um den Betrag reduziert wird, der aus dem
Elastizitätsabbau resultiert.
D. h. die durch den Elastizitätsabbau
hinzugekommene Distanz zwischen Ventilkörper
In
diesen beiden Ausführungsbeispielen
weisen die Kennlinien
Der
erste lineare Abschnitt der Kennlinie
Die.
Kennlinie
Der
plötzlich
einsetzende, steile, annähernd lineare
Anstieg der beiden Kennlinien
Ebenso
sind mehr als zwei lineare Abschnitte der Durchflusskennlinie möglich, indem
man z. B. bei dem gestuften Abschnitt
Die
annähernd
linearen Abschnitte der Durchflusskennlinie des erfindungsgemäßen Ventils
Mittels
Gestaltung des Profilabschnitts
Auch
ein Wiederabnehmen der Durchflusskennlinie – mittels Durchmessererhöhung an
einem Bereich des Abschnitts
Ferner ist auf ähnliche Weise eine Ausgestaltung der Durchlassbohrung möglich, um einen Drosseleffekt zu erzielen. Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn Durchflussbohrung und der profilierte Abschnitt beide eine bestimmte Ausgestaltung aufweisen, die beim gegenseitigen Zusammenwirken die erwünschten Durchflussquerschnitte realisiert.Further is on similar Way an embodiment of the passage bore possible to a throttle effect to achieve. Here it may be advantageous if flow bore and the profiled section both have a particular configuration exhibit the desired in mutual interaction Realized flow cross sections.
Eine mögliche Ausführungsform wäre z. B. eine zylindrische Durchlassbohrung mit einem zentrisch zur Bohrungsachse angeordnetem Hohlkugelraum, dessen Radius größer als der Bohrungsradius ist. Innerhalb dieser Bohrung ist ein als Kugel ausgestaltetes freies Ventilgliedende hin- und herbewegbar. Bevorzugt sind die Durchmesser der Durchlassbohrung und der Kugel am Ventilgliedende so bemessen, dass zwischen beiden ein Spalt vorgesehen ist, dessen Dimensionen sich im ein- bis zweistelligen μm-Bereich bewegen. Diese Kugel am Ventilgliedende ist nun derart in der Bohrung bewegbar, dass wenigstens ihr Äquator den hohlkugeligen Raum vollständig passieren kann. Mittels dieser Ausgestaltung ist es möglich innerhalb eines einzigen Gesamthubs eine Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung durchzuführen.One possible embodiment would be z. B. a cylindrical passage bore with a centrally arranged to the bore axis hollow ball space whose radius is greater than the bore radius. Within this bore is configured as a ball free valve member end back and forth. Preferably, the diameters of the passage bore and the ball are dimensioned at the valve member end so that a gap is provided between the two, the dimensions of which move in the one to two-digit micron range. This ball on the valve member end is now movable in the bore, that at least their equator can completely pass through the hollow spherical space. By means of this embodiment, it is possible to perform a pre-injection, main injection and post-injection within a single total stroke.
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