DE102007003847B4 - Steuerventil - Google Patents

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Abstract

Steuerventil für ein Einspritzsystem, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor (1), mit einem Ventilkörper (100) und einem darin verschiebbar aufgenommenen, mehrteiligen Ventilglied (200), wobei
das Ventilglied (200) eine gegenüber dem Ventilkörper (100) verschiebbar gelagerte Ventilhülse (210) und eine in der Ventilhülse (210) teilweise aufgenommene und darin verschiebbar gelagerte Ventilnadel (220) aufweist, wobei
zwischen der Ventilhülse (210) und der Ventilnadel (220) ein A-Ventil (230), und zwischen dem Ventilkörper (100) und der Ventilnadel (220) ein B-Ventil (240) ausgebildet ist, wobei
die Ventilhülse (210) und die Ventilnadel (220) in einer Wirkverbindung stehen, wobei
durch die Ventilhülse (210) eine erste Position einnehmbar ist, in der das B-Ventil (240) geschlossen ist, wobei
durch die Ventilhülse (210) eine zweite Position einnehmbar ist, in der das B-Ventil (240) geöffnet ist, wobei
die zweite Position gegenüber der ersten Position verschoben ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für ein Einspritzsystem, insbesondere ein Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor, wie z. B. einen Common-Rail- oder Pumpe-Düse-Injektor. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail- oder Pumpe-Düse-Injektor, für ein Kraftfahrzeug, und ein Einspritzsystem mit einem solchen Kraftstoffinjektor.
  • Für eine gute Aufbereitung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs für ein Kraftfahrzeug muss Kraftstoff, je nach Verbrennungsverfahren, mit einem Druck von bis über 2.000 bar mittels eines Kraftstoffinjektors in einen Brennraum eines Verbrennungsmotor eingespritzt und dabei mit der größtmöglichen Genauigkeit je Einspritzung (Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung, eventuell getaktet) dosiert werden. Um einen guten Kompromiss zwischen geringem Kraftstoffverbrauch und der Einhaltung der Grenzwerte für Emissionen (Abgase und Geräuschentwicklung des Motors) zu realisieren, ist es notwendig, einen Einspritzvorgang präzise zu steuern. Dabei sind wesentliche Parameter: ein Einspritzbeginn (Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung), eine Einspritzdauer, ein jeweiliges Einspritzende und ein dynamisches Verhalten einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors bei Beginn und bei Ende der Einspritzung. Da sehr hohe Kraftstoffdrücke notwendig sind, bestehen hohe Anforderungen an ein dynamisches Verhalten des Kraftstoffinjektors.
  • Bei Einspritzsystemen gemäß dem Stand der Technik werden als Steuerventile für Kraftstoffinjektoren herkömmliche 2/2- und 3/2 Wege-Ventile eingesetzt, die als Sitz- oder Schieberventile ausgebildet sind und jeweils nur zwei Schaltstellungen aufweisen, nämlich eine Offen- und eine Schließstellung bei einem 2/2 Wege-Ventil bzw. eine erste und eine zweite Ventil gliedstellung bei einem 3/2 Wege-Ventil. Hierdurch ist man bei der Flexibilität einer Steuerung des Kraftstoffinjektors stark eingeschränkt. Um diese Flexibilität bei der Steuerung zu erhöhen und folglich mehr als zwei Schaltstellungen abbilden bzw. realisieren zu können, ist eine Verknüpfung verschiedener 2/2- oder 3/2 Wege-Ventile erforderlich. Jedes dieser Ventile benötigt jedoch einen eigenen Aktor (Elektromagnet oder Piezoaktor). Insbesondere bei den für Kraftstoffinjektoren bevorzugten Piezoaktoren verteuert dies einen Kraftstoffinjektor signifikant und vergrößert ihn. Darüber hinaus erhöht sich eine Ausfallrate eines solchen Kraftstoffinjektors.
  • Die DE 100 46 875 A1 beschreibt ein als 3/2-Wegeventil ausgestaltetes Steuerventil mit einem in einer gehäuseseitigen Aufnahme axial verschiebbaren Steuerkolben, der einen zwischen zwei Kolbenbereichen liegenden Ventilkopf aufweist, welcher in einer Ventilkammer des Gehäuses liegt, die beiderseits des Ventilkopfes mit diesem zugewandten Dichtkanten versehen ist. Die Dichtkanten schließen an gehäuseseitige Aufnahmebereiche kleineren Durchmessers an, von denen einer eine Führungsbohrung für den zugehörigen Kolbenbereich bildet und der andere durch einen auf dem zugehörigen Kolbenbereich geführten, zum Gehäuse axial abgestützten und die eine Dichtkante tragenden Einsatzkörper gebildet ist. Der Steuerkolben des Steuerventils kann mittels eines Piezoaktors zwischen zwei Positionen hin und her bewegt werden, wobei in beiden Positionen jeweils eines der durch den Ventilkopf gebildeten Ventile geschlossen, das andere geöffnet ist.
  • Die DE 199 08 418 C1 offenbart ein als 3/2-Wegeventil ausgestaltetes Steuerventil mit einem Gehäuse mit einem Eingangsanschluss, einem Ausgangsanschluss und einem Rücklaufanschluss sowie einem ersten Sitzventil mit einem ersten Ventilkörper und einem zweiten Sitzventil mit einem zweiten Ventilkörper. Das erste Sitzventil ist zwischen Ausgangsanschluss und Rücklaufanschluss angeordnet und normalerweise geschlossen. Das zweite Sitzventil ist zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss angeordnet und normalerweise geöffnet. Der zweite Ventilkörper ist koaxial im ersten Ventilkörper angeordnet.
  • Um eine möglichst hohe Flexibilität bei der Steuerung eines Kraftstoffinjektors gewährleisten zu können und diese Flexibilität mit vertretbaren Kosten abzubilden, sind Schaltventile erforderlich, die mehr als zwei Schaltstellungen aufweisen, also mehr als zwei Wege, z. B. Kraftstoffleitungen, schalten können. D. h., um mehr als zwei Freiheitsgrade bei der Steuerung des Kraftstoffinjektors zu erreichen, sind folglich mehr als zwei Schaltstellungen für ein Steuerventil des Kraftstoffinjektors nötig. Um einen finanziellen und montagetechnischen Aufwand für einen Kraftstoffinjektor mit mehr als zwei Freiheitsgraden bei dessen Steuerung vertretbar zu gestalten, sollen sämtliche Freiheitsgrade bei der Steuerung des Kraftstoffinjektors mittels eines einzigen Aktors realisierbar sein.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Steuerventil für ein Einspritzsystem, einen verbesserten Kraftstoffinjektor und ein verbessertes Einspritzsystem zur Verfügung zu stellen. Insbesondere soll das Steuerventil eine Steuerung eines Kraftstoffinjektors oder eines Einspritzsystems mit mehr als zwei Freiheitsgraden ermöglichen und dabei von einem einzigen Aktor ansteuerbar sein. Ferner soll das Steuerventil einfach aufgebaut und mit vertretbaren Kosten herstellbar sein.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird mittels eines Steuerventils für ein Einspritzsystem, mittels eines Kraftstoffinjektors und eines Einspritzsystems gelöst, wobei ein mehrteiliges Ventilglied zur Anwendung kommt. Dieses Ventilglied besteht im Wesentlichen aus einer Ventilnadel und einer Ventilhülse, wobei die Ventilnadel teilweise in den Ventilhülse aufgenommen ist und diese beiden Bauteile gegeneinander verschiebbar sind. Ferner ist die Ventilhülse in einem Ventilkörper des Steuerventils ebenfalls verschiebbar aufgenommen, sodass auch die Ventilnadel gegenüber dem Ventilkörper verschiebbar ist.
  • Erfindungsgemäß sind nun zwischen Ventilkörper, Ventilhülse und Ventilnadel zwei Ventile, ein A- (erstes Ventil) und ein B-Ventil (zweites Ventil), ausgebildet. Hierbei ist es bevorzugt, wenn das eine Ventil zwischen Ventilnadel und Ventilhülse und das andere Ventil zwischen Ventilnadel und Ventilkörper ausgebildet ist. Hierbei ist die Ventilnadel bevorzugt zusätzlich im Ventilkörper verschiebbar gelagert. Es ist jedoch auch möglich, das eine Ventil zwischen Ventilnadel und Ventilhülse und das andere Ventil zwischen Ventilhülse und Ventilkörper auszubilden. Erfindungsgemäß sind die beiden Ventile bzw. deren entsprechende Dichtflächen bevorzugt derart im Steuerventil vorgesehen, dass ein Schließen bzw. Öffnen der Ventile sequenziell erfolgen kann, d. h. es ist möglich, zuerst das A-Ventil zu schließen bzw. zu öffnen und zeitlich daran anschließend das B-Ventil zu schließen bzw. zu öffnen. Dies ist natürlich auch in einer umgekehrten Reihenfolge möglich.
  • Erfindungsgemäß ergibt sich ein 3/3- oder ein 4/3 Wege-Ventil, welches mit einem einzigen Aktor stufenweise schaltbar ist. Durch einen einfachen gestuft-axialen Aufbau einer Ventilbohrung im Ventilkörper, der darin verschiebbar gelagerten Ventilhülse und der wiederum darin verschiebbar gelagerten Ventilnadel, die darüber hinaus in der Ventilbohrung des Ventilkörpers gelagert sein kann, ergibt sich ein einfacher Aufbau des Steuerventils bei einem geringen Bauteilauf wand. Dies führt zu einem kostengünstigen Steuerventil, das einfach hergestellt und montiert werden kann. Aufgrund der erhöhten Anzahl von Freiheitsgraden und der oben beschriebenen Vorteile ergibt sich eine hohe Flexibilität in einer Anwendung, z. B. bei einem Kraftstoffinjektor, bei guter Wirtschaftlichkeit. Ferner ergibt sich durch vier an das Steuerventil anlegbare Fluidanschlüsse eine hohe Funktionalität in der Anwendung.
  • Erfindungsgemäß kann das A-Ventil als Sitzventil und das B-Ventil als ein Schieber- bzw. Sitzventil ausgebildet sein. Erfindungsgemäß ergeben sich drei Positionen bzw. Schaltstellungen des mehrteiligen Ventilglieds, wobei sich in der jeweiligen Schaltstellung sowohl das A- und/oder auch das B-Ventil in der Offen- bzw. Schließstellung befinden kann.
  • Im montierten Zustand des Steuerventils bildet sich in einer Ausführungsform der Erfindung zwischen der Ventilbohrung im Ventilkörper und einer Außenseite der Ventilhülse, sowie einer Aufnahmebohrung für die Ventilnadel in der Ventilhülse und einem Lagerabschnitt der Ventilnadel, jeweils eine als Ringdichtspalt ausgebildete Lagerung aus, die ein jeweiliges translatorisches Verschieben von Ventilhülse gegenüber Ventilkörper und Ventilnadel gegenüber Ventilhülse (also auch gegenüber dem Ventilkörper) ermöglicht.
  • Der Ventilkörper ist bis auf eine Einstellschraube für eine bzw. zwei Vorspannfedern des mehrteiligen Ventilglieds bevorzugt einstückig (Ventilgehäuse) ausgebildet. Ferner ist die Ventilnadel, insbesondere im Bereich der Ventilhülse druckausgeglichen, was bevorzugt auch für die Ventilhülse gilt, die beide ebenfalls bevorzugt einstückig ausgebildet sind.
  • Von derjenigen Seite, von welcher aus das mehrteilige Ventilglied in den Ventilkörper eingesteckt bzw. montiert wird, ist der Ventilkörper mittels der Einstellschraube verschlossen, wobei zwischen Einstellschraube und Ventilhülse sowie zwi schen Einstellschraube und Ventilnadel jeweils eine Vorspannfeder vorgesehen ist, die beide zusammen, als eine einzige, bevorzugt zweistufige Feder ausgeführt sein können. Bevorzugt haben die beiden Federn eine unterschiedliche Steifigkeit bzw. unterschiedliche Federkonstanten, damit zwei getrennte Schaltzustände des Steuerventils sauber dargestellt werden können.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist diese zweistufige Feder „topfförmig” mit einem gewölbten Boden ausgebildet, wobei sich die Ventilhülse an einem umgebogenen „Topfrand” und die Ventilnadel an der Wölbung des „Topfbodens” jeweils vorgespannt abstützt. Hierbei drückt die Vorspannfeder die Ventilhülse bevorzugt gegen einen definierten Anschlag (Stufe der gestuften Ventilbohrung) im Ventilkörper. An einem Endabschnitt der Ventilnadel, welcher gegenüber der Vorspannfeder liegt, sind bevorzugt die beiden Ventile (A-Ventil und B-Ventil) im Steuerventil vorgesehen.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das mehrteilige Ventilglied zweiteilig aufgebaut, wobei einerseits die Ventilhülse im Ventilkörper und andererseits die Ventilnadel sowohl in der Ventilhülse als auch im Ventilkörper gelagert ist. Bei diesen Ausführungsformen der Erfindung ist bevorzugt zwischen einem anschlagseitigen freien Ende der Ventilhülse und der Ventilnadel ein Sitzventil (A-Ventil) und an einem Lagerabschnitt der Ventilnadel im Ventilkörper ein Schieberventil (B-Ventil) ausgebildet. Bei diesen Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, in sämtlichen drei Schaltstellungen des Ventilglieds das A- bzw. das B-Ventil offen oder geschlossen vorzusehen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist in einer Ruheposition des Ventilglieds (erste Schaltstellung), in welcher ein Aktor des Steuerventils bevorzugt nicht oder nur minimal bestromt ist, das A-Ventil in seiner Offenstellung und das B-Ventil in seiner Schließstellung. In einer sich daran an schließenden zweiten Schaltstellung des Ventilglieds sind sowohl das A- als auch das B-Ventil geschlossen, und in einer sich an die zweite Schaltstellung anschließende dritte Schaltstellung des Ventilglieds bleibt das A-Ventil geschlossen und das B-Ventil öffnet sich. Hierbei können sowohl das A- als auch das B-Ventil als Fluiddrossel ausgebildet sein.
  • Da zwischen der Ventilhülse und der Ventilnadel ein Ventil ausgebildet ist, ist es – um eine bevorzugt auf einer Hochdruckseite druckausgeglichene Ventilnadel vorsehen zu können – bevorzugt, einen Zu- oder Ablauf dieses Ventils über die Ventilhülse vorzunehmen, wobei die Ventilhülse hierfür eine Durchgangsausnehmung aufweist. Hierbei – allerdings auch bei anderen Ausführungsformen der Erfindung – weist die Ventilhülse eine Verdrehsicherung gegenüber dem Ventilkörper auf, die sie daran hindert, sich um ihre Längsachse zu drehen. Hierdurch wird die Durchgangsausnehmung in der Ventilhülse daran gehindert, eine andere Umfangsposition einzunehmen.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Ventilnadel zweiteilig aufgebaut, wodurch sich ein dreiteiliges Ventilglied ergibt. Hierbei sind eine erste und eine zweite Ventilnadel bezüglich der Längsachse des Steuerventils hintereinander angeordnet. In einem Bereich der Ventilhülse (Vorspannfeder für Ventilnadel und -hülse bis A-Ventil) ist das Steuerventil bevorzugt analog einem Steuerventil mit nur einer einzigen Ventilnadel aufgebaut.
  • Bei solchen Ausführungsformen der Erfindung können sowohl das A-Ventil als auch das B-Ventil als Sitzventile ausgebildet sein. Hierbei ist es bevorzugt, wenn eine Vorspannfeder zwischen den beiden Ventilnadeln vorgesehen ist, die die beiden Ventilnadeln voneinander wegdrückt. Bevorzugt ist diese Vorspannfeder steifer als die jeweilige Vorspannfeder für die Ventilhülse bzw. die erste Ventilnadel, welche beide an der Einstellschraube anliegen. Dies gilt insbesondere für einen Betrieb des Steuerventils.
  • Bei einem Steuerventil mit zwei Sitzventilen ist darauf zu achten, dass die Ventilnadel zweiteilig ausgeführt ist, um eine statische Bestimmtheit des Steuerventils in sämtlichen Schaltzuständen zu garantieren. Hierbei sind die beiden Nadelteile bevorzugt mittels einer statischen Feder gekoppelt, um evtl. Toleranzen bei den Ventilsitzen ausgleichen zu können. Ferner ist in Abhängigkeit eines gewünschten Schaltverhaltens des Steuerventils die Federkonstante der beteiligten Vorspannfedern für die beiden Nadelteile bzw. die Ventilhülse zu variieren.
  • Bei solchen Ausführungsformen der Erfindung ist es bevorzugt, dass sich in der ersten Schaltstellung des Steuerventils sowohl das A- als auch das B-Ventil in dessen jeweiliger Offenstellung befindet. Bei einem Bewegen des Steuerventilglieds in die zweite Schaltstellung schließt sich nur das A-Ventil, wohingegen das B-Ventil nach wie vor in dessen Offenstellung bleibt. Bei einer weiteren Bewegung des Ventilglieds in die dritte Schaltstellung sind dann sowohl das A- als auch das B-Ventil in dessen jeweiliger Schließstellung.
  • Es ist bei einem dreiteiligen Ventilglied jedoch möglich, das A-Ventil als Sitzventil und/oder das B-Ventil als Sitz- bzw. Schieberventil auszubilden.
  • Das erfindungsgemäße Steuerventil eignet sich für einen Kraftstoffinjektor, wie z. B. einen Common-Rail- oder Pumpe-Düse-Kraftstoffinjektor. Ferner kann ein solcher Kraftstoffinjektor hydraulisch verstärkt sein.
  • Hierbei eignet sich das erfindungsgemäße Steuerventil zum Entleeren eines oder zweier Steuerräume eines Kraftstoffinjektors, insbesondere eines Common-Rail-Injektors. Ferner eignet sich das erfindungsgemäße Steuerventil als Steuerventil für einen Pumpe-Düse-Injektor, welches einerseits einen Vorlauf mit einem Hochdruck (ventilhülsenseitig) verbindet oder trennt, und andererseits einen Raum befüllen oder entleeren kann, der mit einer Rückseite einer Düsennadel in Fluidkontakt ist. Darüber hinaus eignet sich das erfindungemäße Steuerventil für einen hydraulischen Verstärker eines Kraftstoffinjektors. Bei diesen Anwendungen des erfindungemäßen Steuerventils können das A- und/oder das B-Ventil als Fluiddrossel ausgebildet sein.
  • Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen abhängigen Ansprüchen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils, wobei eine einteilige Ventilnadel nicht im Schnitt dargestellt ist;
  • 2 eine schematische, geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerventils mit geteilter Ventilnadel;
  • 3 eine zentral geschnittene Ansicht eines Abschnitts eines Kraftstoffinjektors im Bereich eines Steuerraums;
  • 4 eine schematische Ansicht eines Pumpe-Düse-Kraftstoffinjektors; und
  • 5 ein Hydraulik-Schaltbild eines hydraulisch verstärkten Kraftstoffinjektors mit einem erfindungsgemäßen Steuerventil.
  • Die folgenden Ausführungen betreffen Ausführungsformen eines Steuerventils für Kraftstoffinjektoren. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Steuerventile für Kraftstoffinjektoren beschränkt, sondern kann auf sämtliche Ventile, insbesondere auf 3/3- und 4/3 Wege-Ventile angewendet werden.
  • Die 1 zeigt eine Konstruktionszeichnung eines als 4/3 Wege-Ventil ausgebildeten erfindungsgemäßen Steuerventils 10, das einen Ventilkörper 100 und ein mehrteiliges Ventilglied 200 aufweist.
  • Das mehrteilige Ventilglied 200 ist in einer gestuften Aufnahmebohrung 130 in einem Ventilgehäuse 102 des Ventilkörpers 100 aufgenommen, wobei das Ventilgehäuse 102 mittels einer Einstellschraube 104 verschlossen wird. Die Einstellschraube 104 dient dazu, Vorspannkräfte auf das Ventilglied 200 einzustellen (siehe unten) und dieses somit in eine Ruheposition, auch erste Schaltstellung (I) genannt, vorzuspannen. D. h. das Ventilglied 200 nimmt diese Position ein, wenn ein Aktor 90 (in den 1 und 2 als Pfeil dargestellt), der das Ventilglied 200 betätigen kann, keine oder nur vergleichsweise geringe Kräfte auf das Ventilglied 200 ausübt.
  • Das mehrteilige Ventilglied 200 weist eine Ventilhülse 210 und eine Ventilnadel 220 auf. Hierbei ist die Ventilnadel 220 innerhalb der als Hohlzylinder ausgebildeten Ventilhülse 210 verschiebbar aufgenommen, wobei die Ventilnadel 220 mit einem an ihr ausgebildeten Lagerabschnitt 226 in einem freien Endabschnitt 214 der Ventilhülse 210 gelagert ist. An einem diesen Lagerabschnitt 226 (Endabschnitt 226 der Ventilnadel 220) gegenüberliegenden Endabschnitt 225 ist die Ventilnadel 220 innerhalb des Ventilgehäuses 102 in der Aufnahmebohrung 130 verschiebbar aufgenommen und darin gelagert. D. h. die Ventilnadel 220 ist in einem Längsendabschnitt 214 der Ventilhülse 210 gelagert, erstreckt sich durch die Ventilhülse 210 hindurch und tritt an einem dem Längsendabschnitt 214 gegenüberliegenden Längsendabschnitt (anschlagseitig) der Ventilhülse 210 aus der Ventilhülse 210 hervor. Mit einem an diesem Abschnitt ausgebildeten Längsendabschnitt 225 ist die Ventilnadel 220 dann im Ventilgehäuse 102 gelagert. Der Längsendabschnitt 226 der Ventilnadel 220 und der Längsendabschnitt 214 der Ventilhülse 210 kommen im Wesentlichen zur Deckung, d. h. die Ventilnadel 220 tritt auf dieser Seite der Ventilhülse 210 nicht oder nur kaum (Vorsprung für Vorspannfeder 302) an der Ventilhülse 210 hervor. Ferner ist die Ventilhülse 210 ebenfalls in der Aufnahmebohrung 130 verschiebbar aufgenommen, allerdings in einem Abschnitt mit größerem Durchmesser. D. h. die Ventilnadel 220 ist gegenüber dem Ventilkörper 100 und der Ventilhülse 210, und die Ventilhülse 210 gegenüber dem Ventilkörper 100 (natürlich auch gegenüber der Ventilnadel 220) verschiebbar aufgenommen.
  • Die Ventilhülse 210 ist an einem Anschlag 120, der innerhalb des Ventilgehäuses 102 ausgebildet ist, ansetzbar. Hierbei wird die Ventilhülse 210 von einer Vorspannfeder 304 in Richtung des Anschlags 120 gedrückt. Der Anschlag 120 ist, in Längsrichtung L des Steuerventils 10 gesehen, ringförmig und bildet eine Stufe der stufenförmigen Aufnahmebohrung 130.
  • Ebenso wie die Ventilhülse 210 ist auch die Ventilnadel 220 von einer Vorspannfeder 302 in dieselbe Richtung vorgespannt. Bevorzugt sind die beiden Vorspannfedern 302, 304 zwischen der Einstellschraube 104 und der Ventilnadel 220 bzw. der Ventilhülse 210 eingespannt. Durch eine Position der Einstellschraube 104 kann die Vorspannkraft auf die Ventilnadel 220 bzw. die Ventilhülse 210 eingestellt werden. Hierbei sind die Vorspannfedern 302, 304 z. B. als Tellerfedern ausgebildet. Einem Problem einer gleichzeitigen Verstellung der Vorspannkräfte der Vorspannfedern 302, 304 auf die Ventilnadel 220 und die Ventilhülse 210 durch die Einstellschraube 104, kann durch eine unterschiedliche Höhe der Vorspannfedern 302, 304, durch eine gegenseitige Abstimmung der Federkonstanten der Vorspannfedern 302, 304 und/oder eine Einstellscheibe bzw. eine spezielle Gestaltung der Einstellschraube 104 abgeholfen werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vorspannfedern 302, 304 als eine einzige einstückige Vorspannfeder 300 ausgebildet. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Vorspannfeder 300 im Wesentlichen rotationssymmetrisch und als Tellerfeder in Form eines „Topfs” ausgebildet ist. Ein Querschnitt durch ein Rotationszentrum der Vorspannfeder 300 ist im Wesentlichen w-förmig, wobei die Ecken bzw. Kanten dieses „Ws” abgerundet ausgebildet sind. So bildet die Vorspannfeder 302 einen „Topfboden”, der in ein „Topfinneres” hineingewölbt ist. Die Vorspannfeder 304 ist als etwas schiefstehende „Topfwand” ausgebildet, wobei ein freier Rand der „Topfwand” abgerundet ausgebildet ist. Insgesamt geht innerhalb der Vorspannfeder 300 die Vorspannfeder 304 stetig bzw. abgerundet in die Vorspannfeder 302 über. Erfindungsgemäß ist es möglich – um ein Beschädigen der Vorspannfeder 300 zu vermeiden und/oder die Vorspannfeder 300 nicht zu steif auszulegen – innerhalb der Vorspannfeder 300 (Durchgangs-)Ausnehmungen, z. B. von einem Außenrand nach innen laufende Schlitze, vorzusehen.
  • Erfindungsgemäß weist das in 1 dargestellte Steuerventil vier Fluidanschlüsse 401404 bzw. vier Fluidkanäle 401404 und zwei Ventile 230, 240 auf. Im Folgenden wird das (erste) Ventil 230 als A-Ventil und das (zweite) Ventil 240 als B-Ventil bezeichnet. Hierbei sind die beiden Fluidkanäle 401, 402 durch das A-Ventil 230 und die beiden Fluidkanäle 403, 404 durch das B-Ventil 240 fluidmechanisch verbindbar oder trennbar. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 ist sowohl das A-Ventil 230 als auch das B-Ventil 240 in einer jeweiligen Schließstellung (Schaltstellung II des Aktors 90) dargestellt, d. h., es findet keine Fluidkommunikation zwischen dem ersten und zweiten Fluidkanal 401, 402 sowie dem dritten und vierten Fluidkanal 403, 404 statt.
  • Erfindungsgemäß ist das A-Ventil 230 als Sitzventil zwischen der Ventilhülse 210 und der Ventilnadel 220, und das B-Ventil 240 als Schieberventil zwischen der Ventilnadel 220 und dem Ventilgehäuse 102 ausgebildet. Bevorzugt sind die jeweiligen Abschnitte der Ventilnadel 220, an welchen Fluid, insbesondere unter Hochdruck, anliegt, druckausgeglichen.
  • Das A-Ventil 230 ist zwischen dem anschlagseitigen Längsende (120) der Ventilhülse 210 und der Ventilnadel 220 als Sitzventil ausgebildet, welches in dessen Offenstellung einen kreisringförmigen Fluiddurchlass für ein Fluid 2 eröffnet. Hierfür weist die Ventilnadel 220 einen umlaufenden Vorsprung auf, der an einer inneren anschlagseitigen, kreisringförmigen Begrenzung der Ventilhülse 210 anlegbar ist. Diese beiden sich in der Schließstellung des A-Ventils 230 berührenden Flächen 231, 232 sind als Dichtflächen 231, 232 ausgebildet (siehe 2, analog) und verhindern in der Schließstellung des A-Ventils eine Fluidkommunikation zwischen dem ersten 401 und dem zweiten Fluidkanal 402.
  • Damit eine Fluidkommunikation zwischen dem ersten Fluidkanal 401 und dem zweiten Fluidkanal 402 über das A-Ventil 230 stattfinden kann, weist die Ventilhülse 210 eine Durchgangsausnehmung 211 auf, welche sich mit dem ersten Fluidkanal 401 bzw. dem ersten Anschluss 401 überschneidet. Bevorzugt ist dabei die Durchgangsausnehmung 211 in einem Querschnitt etwas größer ausgebildet, als ein Querschnitt des ersten Fluidkanals 401, damit bei einem Verschieben der Ventilhülse 210 nach wie vor ein vollständiger Querschnitt des ersten Fluidkanals 401 frei bleibt.
  • Um ein Verdrehen der Ventilhülse 410 und somit ein Wegwandern der Ausnehmung 211 vom Anschluss 401 zu verhindern, ist die Ventilhülse 210 gegenüber dem Ventilgehäuse 102 verdrehgesichert. Hierfür weist z. B. entweder die Ventilhülse 210 oder das Ventilgehäuse 102 einen Vorsprung auf, der in einer Ausnehmung des Ventilgehäuses 102 bzw. der Ventilhülse 210 aufgenommen ist. Dabei ist darauf zu achten, dass Vorsprung und Ausnehmung aneinander wenigstens für einen Hubweg des Aktors 90 aneinander vorbeigleiten können.
  • Bevorzugt ist das A-Ventil 230 in einem Mittenbereich der Ventilnadel 220 vorgesehen. In Richtung Ventilhülse 210 schließt sich der bevorzugt druckausgeglichene Anschluss des ersten Fluidkanals 401 an das A-Ventil 230 an. Weiter in Richtung Vorspannfeder 300 schließt sich an diesen Bereich der Ventilnadel 220, der in der Ventilhülse 210 lagernde Endabschnitt 214 an. (Alles in Längsrichtung L des Steuerventils 10).
  • Auf der anderen Seite der Ventilnadel 220 – also der nicht von der Ventilhülse 210 überspannte Bereich der Ventilnadel 220 – weist ein Mittenbereich der Ventilnadel 220 den Fluidanschluss 402 des Fluidkanals 402 auf, der bevorzugt als Ringraum im Ventilgehäuse 102 ausgebildet ist. Ebenso ist der bevorzugt druckausgeglichene Anschluss an der Ventilnadel 220, der mit dem ersten Fluidanschluss 401 in Fluidkontakt steht, ebenfalls als Ringraum zwischen der Ventilnadel 220 und der Ventilhülse 210 ausgebildet. In Längsrichtung L weg von der Ventilhülse 210 schließt sich an den Ringraum für den zweiten Fluidanschluss 402 der Lagerabschnitt 225 der Ventilnadel 220 an. Dieser bildet zusammen mit dem Ventilgehäuse 102 – ebenso wie der Lagerabschnitt 226 der Ventilnadel 220 mit der Ventilhülse 210 und die Ventilhülse 210 mit dem Ventilgehäuse 102 – einen Ringdichtspalt aus, der bei den auftretenden Schaltzeiten des Steuerventils 10 und den dabei beteiligten Fluiddrücken als fluiddicht betrachtet werden kann.
  • An diesen von Ventilgehäuse 102 und Ventilnadel 220 gebildeten Ringdichtspalt mündet ein dritter 403 und vierter Fluidkanal 404 bzw. ein dritter 403 und ein vierter Fluidanschluss 404 des erfindungsgemäße Steuerventils 10. Die beiden Fluidkanäle 403, 404 können in einer Schaltstellung (III) des Steuerventils 10 über einen Fluidanschluss 227, der in der Ventilnadel 220 bzw. im Lagerabschnitt 224 der Ventilnadel 220 ausgebildet ist, in Fluidkommunikation treten. Hierbei ist der Fluidanschluss 227 als Durchgangsbohrung (nicht dargestellt) und/oder (Teil-)Umfangsnut (1) im Lagerabschnitt 225 ausgebildet.
  • Sollte der Fluidanschluss 227 (auch) als Durchgangsbohrung in der Ventilnadel 220 ausgebildet sein, so ist es notwendig, die Ventilnadel 220 gegen eine Verdrehung gegenüber dem Ventilgehäuse 102 zu sichern. Dies geschieht analog zu einer Verdrehsicherung der Ventilhülse 210 im Ventilkörper 100.
  • Die 1 repräsentiert das Steuerventil 10 in seiner zweiten Schaltstellung (II), wobei das A-Ventil 230 und das B-Ventil 240 in deren jeweiliger Schließstellung sind. Für die Schaltstellung II des Steuerventils 10 wird der Aktor 90, welcher das Ventilglied 200 betätigt, mit einer gewissen Spannung beaufschlagt, die unter einer Nennspannung des Aktors 90 liegt. D. h. der Aktor 90 ist teilweise gelängt und weist nicht seinen maximalen Hub auf. In der Schaltstellung I des Steuerventils 10 ist der Aktor 90 nicht oder so gut wie nicht bestromt, d. h. der Aktor 90 ist nicht gelängt bzw. weist noch keinen oder so gut wie keinen Hub auf. In dieser Schaltstellung I ist das A-Ventil 230 in dessen Offen- und das B-Ventil 240 in dessen Schließstellung. Wird der Aktor 90 mit seiner Nennspannung bestromt, weist also seinen maximalen Hub auf, so befindet sich das Steuerventil 10 in seiner dritten Schaltstellung (III), wobei das A-Ventil 230 in dessen Schließ- und das B-Ventil 240 in dessen Offenposition ist. Andere Anordnungen von einer jeweiligen Schließ- und Offenposition des A- 230 bzw. B-Ventils 240 bei den jeweiligen Schaltstellungen IIII sind natürlich realisierbar.
  • Ausgehend von einem nicht bestromten Aktor 90 befindet sich das Steuerventil 10 in seiner Schaltstellung I, wobei eine Fluidkommunikation zwischen dem ersten 401 und dem zweiten Fluidkanal 402 stattfinden kann. Wird der Aktor 90 teilbestromt, so bewegt sich das Ventilglied in die Schaltstellung II des Steuerventils 10, wobei sich das A-Ventil 230 schließt (B-Ventil 240 immer noch geschlossen). Hierbei wird der erste 401 vom zweiten Fluidkanal 402 fluidmechanisch getrennt. D. h. die A-Ventildichtfläche 232 (siehe hierzu auch 2) der Ventilnadel 220 liegt an der A-Ventildichtfläche 231 der Ventilhülse 210 an. In der Schaltstellung II kann die Ventilhülse 210 schon von ihrem Anschlag 120 abgehoben haben. Dies ist je nach Federkonstante der Vorspannfeder 304 und Öffnungskraft des Aktors 90 der Fall. Für das Öffnen des B-Ventils 240 wird der Aktor 90 voll bestromt, wobei das Steuerventil 10 die Schaltstellung III einnimmt. Hierbei bewegen sich die Ventilnadel 220 und die Ventilhülse 210 auf die Vorspannfeder 302, 304; 300 zu, wobei die Ventilnadel 220 und Ventilhülse 210 dieselbe Geschwindigkeit aufweisen. Spätestens hierbei hebt die Ventilhülse 210 von ihrem Anschlag 120 im Ventilgehäuse 102 ab. Beim Bewegen der Ventilnadel 220 kommt der Fluidanschluss 227 der Ventilnadel 220 in Fluidkontakt mit dem dritten 403 und dem vierten Fluidkanal 404, sodass das Fluid 2 durch diese beiden Kanäle 403, 404 fließen kann.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Fluidkanal 401 Teil eines Hochdruckbereichs 14 eines Injektors 1 (siehe hierzu auch 3 und 4). Der zweite Fluidkanal 402 ist hierbei ein Vorlauf 12 des Kraftstoffinjektors 1. Der dritte 403 und vierte Fluidkanal 404 sind dabei zusammen mit dem Fluidanschluss 227 der Ventilnadel 220 als eine Ablaufdrossel ausgebildet. D. h. der dritte 403 und der vierte Fluidkanal 404 können z. B. als Steuerraumbohrung 42 bzw. Steuerraumablaufbohrung 42 ausgebildet sein (3). Hierbei ist es bevorzugt, wenn der Fluidanschluss 227 der Ventilnadel 220 als Fluiddrossel fungiert, wobei die Fluiddrossel als variable Fluiddrossel ausgebildet sein kann. Es ist jedoch in einer anderen Ausführungsform der Erfindung möglich, die Fluiddrossel nicht durch den Fluidanschluss 227 zu realisieren, sondern innerhalb der Steuerraumbohrung 42 vorzusehen und den Fluidanschluss 227 selbst nicht als Drosselstelle auszubilden.
  • Vorteilhaft bei der in 1 dargestellten „topfförmigen” Tellerfeder 300 ist, dass beim Schließen des A-Ventils 230 die Ventilhülse 210 fest gegen ihren Anschlag 120 gedrückt wird, bzw., falls sich die Ventilhülse 210 nicht an ihrem Anschlag 120 befindet, sich die Ventilhülse 210 und die Ventilnadel 220 aufeinander zu bewegen. D. h. für letzteren Fall, dass sich die A-Ventildichtfläche 232 (siehe 2, analog) der Ventilnadel 220 und die A-Ventildichtfläche 231 (siehe 2, analog) der Ventilhülse 210 beide relativ zueinander in Schließrichtung aufeinander zu bewegen. Durch ein Aufrichten der Tellerfeder 300 (die Ventilnadel 220 drückt gegen den gewölbten Boden der Tellerfeder 300), welche dabei „topfförmiger” wird, findet ein Umlenken der Ventilnadelbewegung auf die Ventilhülse 210 in eine entgegengesetzte Richtung statt. Es findet ein Anpressen der Ventilhülse 210 an den Anschlag 120 oder ein doppelt schnelles Schließen des A-Ventils 230 statt, da der gewölbte „Topfboden” der Tellerfeder 300 den „Topfrand” in Richtung A-Ventil 230 und somit auch die Ventilhülse 210 in Richtung Anschlag 120 (Schließrichtung) drückt bzw. bewegt.
  • Die Erfindung ist nicht wie im 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auf ein als Sitzventil ausgebildetes A-Ventil 230 und ein als Schieberventil ausgebildetes B-Ventil 240 beschränkt. Es ist möglich, das A-Ventil 230 als Sitzventil und das B-Ventil 240 als Sitz- oder Schieberventil auszubilden. Ebenfalls ist die Erfindung nicht auf die in 1 gezeigten Schaltstellungen IIII beschränkt, sondern in jeder der Schaltstellungen IIII kann das A-Ventil 230 und/oder das B-Ventil 240 in dessen jeweiliger Offen- oder Schließstellung sein.
  • So zeigt z. B. 2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher sowohl das A-Ventil 230 als auch das B-Ventil 240 als Sitzventile ausgebildet sind. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Ventilnadel 220 als zweiteilige Ventilnadel 220 ausgebildet ist. D. h. die Ventilnadel 220 weist eine erste Ventilnadel 221 und eine zweite Ventilnadel 222 auf. Bevorzugt ist hierbei das erfindungsgemäße Steuerventil 10 nach 2 im Bereich der ersten Ventilnadel 221 analog dem Ausführungsbeispiel der 1 ausgebildet. Bevorzugt ist auch der in 2 nicht dargestellte Anschlag 120 für die Ventilhülse 210 vorgesehen.
  • In Längsrichtung L von der Vorspannfeder 300 weg endet die Ventilnadel 221 kurz hinter ihrer A-Ventildichtfläche 232 (Bund) und weist dort eine Ventilnadelfeder 223 auf, die die erste Ventilnadel 221 von der sich daran anschließenden zweiten Ventilnadel 222 weg drückt. Hierbei kann die Ventilnadelfeder 223 fest mit der ersten Ventilnadel 221 und/oder fest mit der zweiten Ventilnadel 222 ausgebildet sein. Ferner ist es möglich, die Ventilnadelfeder 223 in der Aufnahmebohrung 130 zu führen, ohne diese mit der ersten 221 oder der zweiten Ventilnadel 222 zu verbinden. Die Ventilnadelfeder 223 ist bevorzugt steifer als die Vorspannfedern 300; 302, 304 ausgebildet.
  • Beim Schließen des Steuerventils 10 nach 2 findet zuerst ein Schließen des A-Ventils 230 und anschließend ein Schließen des B-Ventils 240 statt. In der Schaltstellung I des Steuerventils 10 sind somit sowohl das A-Ventil 230 als auch das B-Ventil 240 in dessen jeweiliger Offenstellung. Bewegt sich das mehrteilige Ventilglied 200 in dessen Schaltstellung II, welche auch in 2 dargestellt ist, so schließt sich das A-Ventil 230, wohingegen das B-Ventil 240 nach wie vor in seiner Offenstellung ist. Bewegt der Aktor 90 das Ventilglied 200 in dessen Schaltstellung III, so sind sowohl das A-Ventil 230 als auch das B-Ventil 240 in dessen jeweiliger Schließstellung.
  • Die zweite Ventilnadel 222 ist im in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel hantelförmig, wobei ein der Ventilnadelfeder 223 gegenüberliegender Längsendabschnitt der zweiten Ventilnadel 222, an welchem eine Dichtfläche für das B-Ventil 240 ausgebildet ist, einen größeren Durchmesser besitzt, als dessen gegenüberliegender Längsendabschnitt, an welchem die Ventilnadelfeder 223 anliegt. Mittels dieser beiden Längsend abschnitte ist die zweite Ventilnadel 222 innerhalb der stufigen Aufnahmebohrung 130 geführt. D. h. diese Führungsabschnitte sind wiederum als Ringdichtspalte ausgebildet.
  • Bevorzugt ist die zweite Ventilnadel 222 druckausgeglichen, wobei ein Fluidanschluss an der zweiten Ventilnadel 222 zusammen mit einer Wand der Aufnahmebohrung 130 einen Ringraum ausbildet. In diesen Ringraum münden die beiden Fluidanschlüsse 403, 404, nämlich der dritte 403 und der vierte Fluidkanal 404. Hierbei ist an einer Mündung des vierten Fluidkanals 404 eine B-Ventildichtfläche 241 des Ventilkörpers 100 ausgebildet, die mit einer B-Ventildichtfläche 242 der zweiten Ventilnadel 222 zusammenwirken kann. Ist das B-Ventil 240 in dessen Schließstellung, so liegt die B-Ventildichtfläche 241 des Ventilkörpers 100 an der B-Ventildichtfläche 242 der zweiten Ventilnadel 222 an, und die zweite Ventilnadel 222 verschließt den vierten Fluidkanal 404. D. h. eine Fluidkommunikation zwischen dem dritten 403 und dem vierten Fluidkanal 404 ist unterbrochen (Schaltstellung III des Steuerventils 10).
  • Die erste Ventilnadel 221 ist ebenfalls annähernd hantelförmig ausgebildet, wobei ihr Lagerabschnitt 226 in der Ventilhülse 210 einen Längsendabschnitt dieser „Hantel” bildet, und der diesem gegenüberliegende Längsendabschnitt, an welchem die A-Ventildichtfläche 232 ausgebildet ist, den zweiten Längsendabschnitt dieser „Hantel” bildet.
  • Analog zu den beiden Ventilnadeln 221, 222 nach 2, ist die Ventilnadel 220 der Ausführungsform gemäß 1 „doppelhantelförmig” ausgebildet, wobei im Wesentlichen die erste 221 und die zweite Ventilnadel 222 zusammenhängend ausgebildet sind. Es ist jedoch eine andere B-Ventildichtfläche 241, 242 am Ventilkörper 100 bzw. der Ventilnadel 220 vorgesehen.
  • Bei sämtlichen Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, den Aktor 90 invers anzusteuern. D. h. der Aktor 90 ist in Schaltstellung I gelängt, was in den Ausführungsbeispielen mit Schaltstellung III bezeichnet ist. Hierbei ist es natürlich wiederum möglich, in der jeweiligen Schaltstellung IIII das A-Ventil 230 und/oder das B-Ventil 240 in seiner Offen- oder Schließstellung vorzusehen, sowie diese als Schieber- und/oder Sitzventile auszubilden.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt eines Kraftstoffinjektors 1, bei welchem das erfindungsgemäße Steuerventil 10 anwendbar ist. Hierbei zeigt 3 einen Bereich einer Rückseite 53 eines Steuerkolbens 51 für eine Düsennadel 55 einer Einspritzdüse 50 des Kraftstoffinjektors 1, der mit einem in einem Steuerraum 40 des Kraftstoffinjektors 1 enthaltenen Kraftstoff 2 fluidmechanisch in Kontakt steht. Der Steuerraum 40 ist über eine Zulaufdrossel 41 mit Kraftstoff 2 befüllbar. Der Zulaufdrossel 41 wird der Kraftstoff 2 bevorzugt über einen Ringraum zur Verfügung gestellt, der in Fluidkommunikation mit einem Hochdruckbereich 14 des Kraftstoffinjektors 1 steht. Die Düsennadel 55 ist mittels einer Düsennadel-Vorspannfeder 62 in Richtung ihres Düsennadelsitzes (nicht dargestellt) vorgespannt.
  • Erfindungsgemäß ist z. B. ein Druck im Hochdruckbereich 14 vom Steuerventil 10 steuerbar und der Steuerraum 40 über eine Steuerraumbohrung 42 vom Steuerventil 10 in einer anderen Schaltstellung entleerbar. In einer weiteren Ausführungsform eines solchen Kraftstoffinjektors 1 ist es z. B. möglich, das Steuerventil 10 derart auszugestalten, dass es in zwei Schaltstellungen den Steuerraum 40 entleeren kann. Bevorzugt sind dann die als Fluiddrosseln ausgebildeten Anschlüsse 227 der Ventilnadel 220 bzw. der Ventilnadeln 221, 222 des erfindungsgemäßen Steuerventils 10 mit einem anderen Drosselquerschnitt ausgebildet, sodass sich andere Durchflusscharakteristika ergeben. Hierbei ist es z. B. möglich, das Steuerventil als 3/3 Wege-Ventil auszubilden.
  • 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Pumpe-Düse-Injektors 1, bei welchem das erfindungsgemäße Steuerventil 10 angewendet werden kann. Der Kraftstoffinjektor 1 weist eine Kraftstoffpumpe 30 auf, bei welcher ein Pumpenkolben 32 in einem Pumpenzylinder 31 hin- und herbewegbar ist. Ein Kompressionsraum 33 des Pumpenzylinders 31 ist über eine Kraftstoffleitung mit dem Hochdruckbereich 14 des Kraftstoffinjektors 1 fluidmechanisch verbunden. Das erfindungsgemäße Steuerventil 10 dient dazu, den Hochdruckbereich 14 von einem Vorlauf 12, aus dem Kraftstoff 2 angesaugt werden kann, fluidmechanisch zu verbinden oder zu trennen.
  • In der bevorzugt geöffneten Ruhestellung des Steuerventils 10 (A-Ventil 230 offen) wird bei einer bezogen auf die 4 nach oben gerichteten Bewegung des Pumpenkolbens 32 Kraftstoff 2 aus einem Kraftstoffreservoir über den Vorlauf 12 und das mehrteilige Ventilglied 220 des Steuerventils 10 angesaugt. Befindet sich z. B. das A-Ventil 230 des Steuerventils 10 nach wie vor in seiner Offenstellung und bewegt sich der Pumpenkolben 32 nach unten, so kann vorher in den Kompressionsraum 33 angesaugter Kraftstoff 2 wieder zurück in den Vorlauf 12 gedrückt werden. Bei einer Ansteuerung des Steuerventils 10 wird das A-Ventil 230 geschlossen, wobei, bei einer nach unten gerichteten Bewegung des Pumpenkolbens 32, der im Kompressionsraum 33 befindliche Kraftstoff 2 komprimiert wird, wodurch ein Hochdruck im Pumpenraum 33 und an einer Druckschulter 52 der Düsennadel 55 über den Hochdruckbereich 14 des Kraftstoffinjektors 1 erzeugt wird. Hierdurch hebt sich die Düsennadel 55 aus ihrem Düsennadelsitz (nicht dargestellt); eine Einspritzung kann beginnen. Durch das erfindungsgemäße Steuerventil 10 ist es nun möglich, durch das dort vorhandene B-Ventil 240 weitere Steuerungsmöglichkeiten des Kraftstoffinjektors 1, z. B. über eine Entlastung oder Belastung eines Federraums 61 im Federhalter 60, zu erhalten.
  • 5 zeigt eine mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Steuerventils 10 auf einen hydraulisch verstärkten Kraftstof finjektor 1, bei welchem eine Drucksteuerung auf einer Motorölseite 77 und eine Druckverstärkung auf einer Kraftstoffseite 78 vorgenommen wird. Es ist jedoch auch möglich, Drucksteuerung und Druckverstärkung auf der Kraftstoffseite 78 vorzunehmen.
  • Für eine Initialisierung eines Einspritzvorgangs wird das Ventilglied 200 des erfindungsgemäßen Steuerventils 10 in eine der beiden in 5 nicht gezeigte Stellungen gebracht. Hierbei wird ein Fluidhochdruck (Motoröl 2) im Vorlauf 12 über das Steuerventil 10 mit einem ersten Volumen 73 innerhalb eines hydraulischen Verstärkers 70 verbunden. Dieses erste Volumen 73 wirkt auf einen Kolben 71 des hydraulischen Verstärkers 70, der ein zweites Volumen 74 und einen zweiten Kolben 72 aufweist, wobei die beiden Kolben 71, 72 bevorzugt starr miteinander verbunden sind. Hierbei weist der Kolben 71 eine größere hydraulisch wirksame Oberfläche als der Kolben 72 auf. Entsprechend eines Oberflächenverhältnisses der beiden Kolben 71, 72, wird der Druck im zweiten Volumen 74 des hydraulischen Verstärkers 70 erhöht, eine Einspritzung kann beginnen.
  • Für eine Beendigung des Einspritzvorgangs wird das Steuerventil 10 wieder in die in 5 dargestellte Stellung gebracht (Absteuern) und das erste Volumen 73 des hydraulischen Verstärkers 70 mit einer Drainage 75 verbunden. Beim Absteuern des Steuerventils 10, also beim Bewegen des Ventilglieds 200 des Steuerventils 10 in die in 5 gezeigte Stellung (Abbau des Hochdrucks im ersten Volumen 73 des hydraulischen Verstärkers 70) entspannt sich auch das zweite Volumen 74 des hydraulischen Verstärkers 70, wodurch der Druck im Hochdruckbereich 14 sinkt. Durch eine nieder- oder mitteldruckbehaftete Kraftstoffversorgung 80 wird das zweite Volumen 74 des hydraulischen Verstärkers 70 mit frischem Kraftstoff 2 befällt.
  • Das erfindungsgemäße Steuerventil 10 kann nun dergestalt eingesetzt werden, dass über einen zweiten Vorlauf 12 (Hochdruck) ein anderer Druck bzw. Druckgradient in das erste Volumen 73 des hydraulischen Verstärkers 70 eingebracht werden kann. Ein zweiter Vorlauf 12 lässt sich z. B. relativ einfach durch einen anderen Querschnitt einer Kraftstoffleitung realisieren.
  • 1
    Injektor, Kraftstoffinjektor, insbesondere Common-Rail- oder Pumpe-Düse-Injektor
    2
    Fluid, Kraftstoff, z. B. Dieselkraftstoff, Benzin
    10
    Steuerventil, 3/3 oder 4/3 Wege-Ventil
    12
    Vorlauf
    14
    Hochdruckbereich
    30
    Pumpe, Kraftstoffpumpe
    31
    Pumpenzylinder
    32
    Pumpenkolben
    33
    Kompressions-/Pumpenraum
    40
    Steuerraum
    41
    Zulaufdrossel
    42
    Steuerraumbohrung
    50
    Einspritzdüse
    51
    Steuerkolben
    52
    Druckschulter
    53
    Steuerkolben- bzw. Düsennadelrückseite
    54
    Düsennadelsitz
    55
    Düsennadel
    60
    Federhalter
    61
    Federraum
    62
    Düsennadel-Vorspannfeder
    70
    hydraulischer Verstärker
    71
    Kolben mit großer Oberfläche
    72
    Kolben mit kleiner Oberfläche
    73
    erstes Volumen des hydraulischen Verstärkers 70
    74
    zweites Volumen des hydraulischen Verstärkers 70
    77
    Motorölseite
    78
    Kraftstoffseite
    80
    Kraftstoffversorgung
    90
    Aktor, insbesondere Piezoaktor
    100
    Ventilkörper
    102
    Ventilgehäuse
    104
    Einstellschraube
    120
    Anschlag für Ventilhülse 210
    130
    Aufnahmebohrung für Ventilglied 200 bzw. Ventilhülse 210
    132
    Aufnahmebohrung für zweite Ventilnadel 222
    200
    mehrteiliges Ventilglied
    210
    Ventilhülse
    211
    Durchgangsausnehmung für einen Durchtritt von Fluid 2
    212
    Aufnahmebohrung für Ventilnadel 220
    214
    freies Ende/(Längs-)Endabschnitt der Ventilhülse 210, liegt A-Ventil 230 des Steuerventils 10 gegenüber
    220
    Ventilnadel ein- oder zweiteilig
    221
    erste Ventilnadel (von zweien)
    222
    zweite Ventilnadel (von zweien)
    223
    Ventilnadelfeder
    224
    hülsenlagerseitiges, freies Ende der (ersten) Ventilnadel (221), 220
    225
    (Längs-)Endabschnitt, Lagerabschnitt der (zweiten) Ventilnadel (222), 220, der der Ventilhülse 210 gegenüberliegt
    226
    (Längs-)Endabschnitt, Lagerabschnitt der (ersten) Ventilnadel (221), 220, in der Ventilhülse 210
    227
    Fluidanschluss; Bohrung, Umfangsnut
    230
    A-Ventil, erstes Ventil
    231
    A-Ventildichtfläche der Ventilhülse 210
    232
    A-Ventildichtfläche der (ersten) Ventilnadel (221), 220
    240
    B-Ventil, zweites Ventil
    241
    B-Ventildichtfläche des Ventilkörpers 100
    242
    B-Ventildichtfläche der (zweiten) Ventilnadel (222), 220
    300
    Vorspannfeder für die (erste) Ventilnadel (221), 220 und die Ventilhülse 210, bevorzugt zweistufig
    302
    Vorspannfeder für die (erste) Ventilnadel (221), 220
    304
    Vorspannfeder für die Ventilhülse 210
    401
    erster Fluidkanal/(Fluid-)Anschluss
    402
    zweiter Fluidkanal/(Fluid-)Anschluss
    403
    dritter Fluidkanal/(Fluid-)Anschluss
    404
    vierter Fluidkanal/(Fluid-)Anschluss
    I
    erste Schaltstellung des Steuerventils 10
    II
    zweite Schaltstellung des Steuerventils 10
    III
    dritte Schaltstellung des Steuerventils 10
    L
    Längsachse des Steuerventils 10

Claims (36)

  1. Steuerventil für ein Einspritzsystem, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor (1), mit einem Ventilkörper (100) und einem darin verschiebbar aufgenommenen, mehrteiligen Ventilglied (200), wobei das Ventilglied (200) eine gegenüber dem Ventilkörper (100) verschiebbar gelagerte Ventilhülse (210) und eine in der Ventilhülse (210) teilweise aufgenommene und darin verschiebbar gelagerte Ventilnadel (220) aufweist, wobei zwischen der Ventilhülse (210) und der Ventilnadel (220) ein A-Ventil (230), und zwischen dem Ventilkörper (100) und der Ventilnadel (220) ein B-Ventil (240) ausgebildet ist, wobei die Ventilhülse (210) und die Ventilnadel (220) in einer Wirkverbindung stehen, wobei durch die Ventilhülse (210) eine erste Position einnehmbar ist, in der das B-Ventil (240) geschlossen ist, wobei durch die Ventilhülse (210) eine zweite Position einnehmbar ist, in der das B-Ventil (240) geöffnet ist, wobei die zweite Position gegenüber der ersten Position verschoben ist.
  2. Steuerventil gemäß Anspruch 1, wobei die Ventilnadel (220) an einem der Ventilhülse (210) gegenüberliegenden Endabschnitt (225) im Ventilkörper (100) verschiebbar gelagert ist.
  3. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das A-Ventil (230) zwischen der Ventilhülse (210) und der Ventilnadel (220) als ein Sitzventil ausgebildet ist.
  4. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das B-Ventil (240) zwischen dem Ventilkörper (100) und der Ventilnadel (220) als ein Schieber- oder als ein Sitzventil ausgebildet ist.
  5. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Steuerventil (10) ein 3/3 Wege-Ventil oder 4/3 Wege-Ventil ist.
  6. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lagerung der in der Ventilhülse (210) translatorisch verschiebbaren Ventilnadel (220) und/oder die Lagerung der im Ventilkörper (100) translatorisch verschiebbaren Ventilhülse (210) als Ringdichtspalt ausgebildet ist.
  7. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Ventilnadel (220), insbesondere in ihren Abschnitten an welchen Hochdruck anlegbar ist, druckausgeglichen ausgestaltet ist.
  8. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Ventilkörper (100) im Bereich des verschiebbaren, mehrteiligen Ventilglieds (200) einstückig ausgebildet ist.
  9. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Ventilnadel (220) mit ihrem hülsenlagerseitigen, freien Ende (224) mittels einer Vorspannfeder (300, 302) an einem Ventilgehäuse (102), bevorzugt an einer Einstellschraube (104) des Ventilkörpers (100), vorgespannt anliegt.
  10. Steuerventil gemäß Anspruch 9, wobei die Ventilhülse (210) mit ihrem dem A-Ventil (230) gegenüberliegenden, freien Ende (214) mittels einer Vorspannfeder (300, 304) am Ventilkörper (100) vorgespannt anliegt.
  11. Steuerventil gemäß Anspruch 10, wobei, insbesondere im Betrieb des Steuerventils (10), die Vorspannfeder (304) für die Ventilhülse (210) steifer ist, als die Vorspannfeder (302) für die Ventilnadel (220).
  12. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei die Vorspannfeder (300, 302) der Ventilnadel (220) und die Vorspannfeder (300, 304) der Ventilhülse (210) stofflich einstückig, bevorzugt als zweistufige Vorspannfeder (300), ausgebildet ist.
  13. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Vorspannfeder (300) in einem Querschnitt im Wesentlichen w-förmig ausgebildet ist, und sich in einem Mittenabschnitt dieses Querschnitts die Ventilnadel (220) und an den beiden Außenabschnitten dieses Querschnitts die Ventilhülse (210) vorgespannt abstützt.
  14. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Vorspannfeder (300) im Wesentlichen rotationssymmetrisch als Tellerfeder ausgebildet ist, die Durchgangsausnehmungen aufweisen kann.
  15. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Ventilhülse (210) eine Durchgangsausnehmung (211) für einen Durchtritt von Fluid (2) aufweist, und die Ventilhülse (210) und der Ventilkörper (100) zwischen sich eine Verdrehsicherung für die Ventilhülse (210) ausbilden.
  16. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Ventilhülse (210) an einem Anschlag (120) des Ventilkörpers (100) ansetzbar ist, wobei die Ventilhülse (210) bevorzugt von der Vorspannfeder (300, 304) gegen den Anschlag (120) drückbar ist.
  17. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das mehrteilige Ventilglied (200) zweiteilig mit einstückiger Ventilnadel (220) und einstückiger Ventilhülse (210) aufgebaut ist.
  18. Steuerventil gemäß Anspruch 17, wobei das A-Ventil (230) zwischen der Ventilhülse (210) und der Ventilnadel (220) als Sitzventil und das B-Ventil (240) zwischen dem Ventilkörper (100) und der Ventilnadel (220) als Schieberventil ausgebildet ist.
  19. Steuerventil gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei sich, in einer ersten Schaltstellung (I) des Steuerventils (10), das A-Ventil (230) seiner Offenstellung und das B-Ventil (240) in seiner Schließstellung befindet.
  20. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei sich, in einer zweiten Schaltstellung (II) des Steuerventils (10), das A-Ventil (230) und das B-Ventil (240) in seiner jeweiligen Schließstellung befindet.
  21. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei sich, in einer dritten Schaltstellung (III) des Steuerventil (10), das A-Ventil (230) in seiner Schließstellung und das B-Ventil (240) in seiner Offenstellung befindet.
  22. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das mehrteilige Ventilglied (200) dreiteilig mit zweiteiliger Ventilnadel (220; 221, 222) und Ventilhülse (210) aufgebaut ist, wobei eine erste (221) und eine zweite Ventilnadel (222) der zweiteiligen Ventilnadel (220) koaxial zueinander angeordnet sind und beide Ventilnadeln (221, 222) mittels einer Ventilnadelfeder (223) mechanisch gekoppelt sind.
  23. Steuerventil gemäß Anspruch 22, wobei die Ventilnadelfeder (223) steifer als die Vorspannfeder (302) für die erste Ventilnadel (220, 221) und steifer als die Vorspannfeder (304) für die Ventilhülse (210) ist, bzw. die Ventilnadelfeder (223) ist im Betrieb des Steuerventils (10) steifer als die Vorspannfeder (300) der Ventilnadel (220; 221, 222) und der Ventilhülse (210).
  24. Steuerventil gemäß Anspruch 22 oder 23, wobei die zweite Ventilnadel (220, 222) ausschließlich im Ventilkörper (100) translatorisch verschiebbar gelagert ist.
  25. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei das A-Ventil (230) zwischen der Ventilhülse (210) und der ersten Ventilnadel (220, 221) und das B-Ventil (240) zwischen dem Ventilkörper (100) und der zweiten Ventilnadel (220, 222) als Sitzventil ausgebildet ist.
  26. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei sich, in einer ersten Schaltstellung (I) des Steuerventils (10), das A-Ventil (230) und das B-Ventil (240) in ihrer jeweiligen Offenstellung befinden.
  27. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei sich, in einer zweiten Schaltstellung (II) des Steuerventils (10), das A-Ventil (230) in seiner Schließstellung und das B-Ventil (240) in seiner Offenstellung befindet.
  28. Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei sich, in einer dritten Schaltstellung (III) des Steuerventils (10), das A-Ventil (230) und das B-Ventil (240) in seiner jeweiligen Schließstellung befindet.
  29. Kraftstoffinjektor, insbesondere Common-Rail- oder Pumpe-Düse-Kraftstoffinjektor für ein Personen- oder Nutzkraftfahrzeug, mit einem Steuerventil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 32.
  30. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 29, wobei ein Vorlauf (20) des Kraftstoffinjektors (1) von einem Hochdruckbereich (30) des Kraftstoffinjektors (1) mittels eines A-Ventils (230) des Steuerventils (10) fluidmechanisch koppel- bzw. entkoppelbar ist.
  31. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 29 oder 30, wobei ein Steuerraum (40) des Kraftstoffinjektors (1) mittels eines B-Ventils (240) des Steuerventils (10) entleerbar ist.
  32. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 29, wobei ein Steuerraum (40) des Kraftstoffinjektors (1) mittels des A-Ventils (230) und ein zweiter Steuerraum (40) des Kraftstoffinjektors (1) mittels des B-Ventils (240) entleerbar ist.
  33. Kraftstoffinjektor gemäß einem der Ansprüche 29 bis 32, wobei das A-Ventil (230) und/oder das B-Ventil (240) des Steuerventils (10) als Fluiddrossel, bevorzugt als variable Fluiddrossel, ausgebildet ist.
  34. Kraftstoffinjektor gemäß einem der Ansprüche 29 bis 33, wobei in einer ersten Schaltstellung (I) des Steuerventils (10) ein das Steuerventil (10) betätigender Aktor (90) des Kraftstoffinjektors (1) nicht oder nicht nennenswert mit elektrischer Spannung beaufschlagt ist; in einer zweiten Schaltstellung (II) des Steuerventils (10) der Aktor (90) mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt ist, die unter einer elektrischen Nennspannung des Aktors (90) liegt; und in einer dritten Schaltstellung (III) des Steuerventils (10) der Aktor (90) mit seiner elektrischen Nennspannung betreibbar ist.
  35. Kraftstoffinjektor gemäß einem der Ansprüche 29 bis 34, wobei der das Steuerventil (10) betätigende Aktor (90) ein Elektromagnetaktor (90) oder ein Piezoaktor (90) ist.
  36. Einspritzsystem, insbesondere Pumpe-Düse- oder Common-Rail-Einspritzsystem, für ein Kraftfahrzeug, mit einem Kraftstoffinjektor (1) nach einem der Ansprüche 29 bis 35.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19908418C1 (de) * 1999-02-26 2000-10-26 Siemens Ag Steuerventil zum Einsatz in einem Speichereinspritzsystem für einen Dieselmotor
DE10046875A1 (de) * 2000-09-20 2002-04-11 Orange Gmbh Steuerventil für Einspritzinjektoren

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