DE102007038138A1

DE102007038138A1 - Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102007038138A1
Application number: DE200710038138
Authority: DE
Inventors: Christian Faltin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2007-08-13
Publication date: 2009-02-19
Also published as: WO2009021862A1

Abstract

Es wird ein Steuerventil zum Ansteuern eines Steuerraums (20) eines Kraftstoffinjektors mit einer Steuerhülse (31), die an einem Führungszapfen (30) eines Ventilstücks (18) axial beweglich geführt ist, vorgeschlagen. Zwischen Steuerhülse (31) und Führungszapfen (30) ist ein Ringraum (36) ausgebildet, der von der Steuerhülse (31) im Zusammenwirken mit einem Ventilsitz (35) begrenzt ist. Im Ventilstück (18) ist eine im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Steigbohrung (41) und eine davon abzweigende hydraulische Verbindung vorgesehen, über diese der Steuerraum (20) und der Ringraum (36) hydraulisch verbunden sind. Es sind mindestens zwei symmetrisch angeordnete Schrägbohrungen (42) vorgesehen, die vom Ringraum (36) in Richtung Steigbohrung (41) weisen, wobei zumindest eine der beiden Schrägbohrungen (42) als hydraulische Verbindung (43.1, 43.2) eine Ablaufbohrung zwischen Steuerraum (20) und Ringraum (36) ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein kraftausgeglichenes Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Ein kraftausgeglichenes Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor ist aus EP 1 612 403 A1 bekannt, bei dem an einen Ventilkörper eine Steuerhülse axial beweglich geführt ist. Die Steuerhülse begrenzt einen Ringraum nach außen, der mit einem Steuerraum einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors über eine Ablaufbohrung verbunden ist. Durch eine Schließfeder wird die Steuerhülse gegen einen am Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz gepresst und verschließt dadurch den Ringraum nach außen. Die Steuerhülse wird von einem elektromagnetischen Stellelement bewegt und dabei kraftfrei betrieben, d. h., dass auf die Steuerhülse durch den Kraftstoff im Ringraum keine resultierende Kraft in deren Bewegungsrichtung ausgeübt wird. Zum Ansteuern der Düsennadel des Kraftstoffinjektors wird der Steuerraum der Düsennadel mit einem Niederdruck-/Rücklaufsystem verbunden und in Folge dessen druckentlastet.
Derartig kraftausgeglichene Steuerventile zeichnen sich dadurch aus, dass das Ventilelement so gestaltet ist, dass die resultierende Wirkfläche, über die der Kraftstoffdruck in der Ringkammer auf die Steuerhülse wirkt, gleich null ist, so dass durch den Druck kaum öffnende oder schließende Kräfte auf das Ventilelement ausgeübt werden. Auf Grund der Tatsache, dass der unter Hochdruck stehende Kraftstoff der von einem Common-Rail einer Dieseleinspritzanlage bereitgestellt wird, durch das Innere des Ventilstücks in den Ringraum geführt werden muss, sind der Miniaturisierung eines solchen Steuerventils Grenzen gesetzt. So sind beispielsweise bei schaltbaren Drücken über 2000 bar nur Ventilsitzdurchmesser von mehr als 2,5 mm realisierbar, da ansonsten die Gefahr eines Bruchs des Ventilstücks im Bereich der Bohrungsverschneidungen auftritt. Der Grund hierfür liegt hauptsächlich in den mechanischen Zugspannungen, die infolge des hohen hydraulischen Drucks in den Bohrungen der hydraulischen Verbindung in diesem Bereich in das Material des Ventilstücks induziert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kraftausgeglichenes Steuerventil zur Steuerung eines Kraftstoffinjektors zu schaffen, bei dem eine unsymmetrische Bauteilverformung im Führungsbereich der Steuerhülse vermieden sowie durch Optimierung der Strömungsführung eine Verbesserung der Funktion des Kraftstoffinjektors gewährleistet wird.
Darlegung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die symmetrische Anordnung von mindestens zwei Schrägbohrungen, von denen mindestens eine Schrägbohrung eine Ablaufdrossel für den Steuerraum bildet, wird eine unsymmetrische Bauteilverformung im Führungsbereich der Steuerhülse vermieden und eine reibungsarme Schaltfunktion des Steuerventils gewährleistet.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
Durch eine zweiseitige hydraulische Anbindung des Ringraums wird außerdem die Strömungsführung im Ventilsitzbereich vorteilhaft beeinflusst, wodurch die Absteuerung des Kraftstoffs beim Öffnen sowie die Befüllung des Ringraums beim Schließen des Steuerventils symmetrisch erfolgt. Die schräge Anordnung der Ablaufdrosseln bietet weiterhin die Möglichkeit, zur Vermeidung von Kavitationsschäden am Ventilsitz eine ausreichende Länge für einen der Ablaufdrossel nachgeschalteten Diffusor zu realisieren. Zur Reduzierung des Fertigungsaufwandes kann es zweckmäßig sein, eine der zumindest zwei Schrägbohrungen als Sacklochbohrung auszuführen.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Teilschnitt durch einen steuerventilseitigen Abschnitt eines Kraftstoffinjektors,
2 einen Ausschnitt X eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Steuerventils und
3 einen Ausschnitt X eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Steuerventils.
In 1 ist ein steuerventilseitiger Ausschnitt eines Kraftstoffinjektors für ein Common-Rail-System einer Dieseleinspritzeinrichtung im Schnittdargestellt. Der Ausschnitt des Kraftstoffinjektors zeigt ein Injektorgehäuse 10, einen Ventilkörper 11, einen Ventilkolben 12 einer nicht dargestellten Düsennadel, ein Steuerventil 13, ein elektromagnetisches Stellelement 14 und ein Gehäuse 15 für das Stellelement 14. Der Ventilkörper 11 ist im Injektorgehäuse 10 hydraulisch dicht eingesetzt und weist einen Führungsabschnitt 17 für den Ventilkolben 12 und ein Ventilstück 18 für das Steuerventil 13 auf. Im Ventilkörper 11 ist weiterhin ein Steuerraum 20 ausgebildet, dem der Ventilkolben 12 der Düsennadel mit einer Steuerfläche 21 ausgesetzt ist. Zwischen Injektorkörper 10 und Ventilkörper 12 ist ein ringförmiger Hochdruckraum 22 ausgebildet, in den eine Hochdruckbohrung 23 mündet, die mit einem Hochdruckanschluss 24 hydraulisch verbunden ist, der an das nicht dargestellte Common-Rail-System angeschlossen ist. Vom Hochdruckraum 22 führt eine Zulaufbohrung 25 mit einer Zulaufdrossel in den Steuerraum 20.
Das Ventilstück 18 weist einen Führungszapfen 30 auf, an dem eine Steuerhülse 31 mit einer Führungsbohrung 32 axial verschiebbar geführt ist. Die Steuerhülse 31 ist weiterhin mit einem tellerförmigen Abschnitt 33 ausgeführt. Die Steuerhülse 31 wirkt mit einer Dichtfläche auf einen am Ventilstück 18 ausgebildeten Ventilsitz 35 ein. Zwischen Führungszapfen 30 und Steuerhülse 31 ist ein Ringraum 36 ausgebildet. Die Steuerhülse 31 ist von einem Niederdruckraum 37 umgeben, der mit einem mit Lecköldruck beaufschlagten, nicht dargestellten Niederdruck-/Rücklaufsystem verbunden ist. Eine Schließfeder 38 wirkt auf die Steuerhülse 31, so dass die Steuerhülse 31 mit der Dichtfläche gegen den Ventilsitz 35 in Schließstellung gehalten wird.
Im Ventilstück 18 sind eine in axialer Richtung verlaufende Steigbohrung 41 und beispielsweise zwei davon abzweigende Schrägbohrungen 42 angeordnet. Die beiden Schrägbohrungen 42 münden in den Ringraum 36. Von den beiden Schrägbohrungen 42 ist zumindest eine Bohrung als Durchgangsbohrung zur Ausbildung einer hydraulischen Verbindung zwischen Steigbohrung 41 und Ringraum 36 ausgeführt. Eine der beiden Schrägbohrungen kann als Sackbohrung ausgeführt sein. Wesentlich ist, dass beide Schrägbohrungen 42 eine im Wesentlichen symmetrische Querschnittsschwächung am Führungszapfen 30 realisieren. Die Steigbohrung 41 führt außerdem zum Steuerraum 20, so dass über die Steigbohrung 41 und über mindesten eine der Schrägbohrungen 42 der Steuerraum 20 hydraulisch mit dem Ringraum 36 verbunden ist.
Das Stellelement 14, das beispielsweise ein Magnet-Aktor ist, umfasst eine Magnetspule 45, die auf einen Magnetanker 46 einwirkt. Der Magnetanker 46 wird dabei von dem tellerförmigen Abschnitt 33 der Steuerhülse 31 gebildet. Das elektromagnetische Stellelement 14 bildet zusammen mit dem Steuerventil 13 ein Servo-Ventil zur Ansteuerung des Steuerraums 20, das als 2/2-Wege-Ventil arbeitet.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass die Schrägbohrungen 42 symmetrisch ausgeführt sind, so dass im Bereich der Querschnittsschwächung zwischen Steigbohrung 41 und Ringraum 36 eine gleichmäßige mechanische Belastung durch den dort herrschenden Kraftstoffdruck im Ventilstück 18 bzw. im Führungszapfen 30 auftritt.
Gemäß 2 sind beide Schrägbohrungen 42 jeweils als Durchgangbohrung ausgeführt, so das beide Schrägbohrungen 42 eine erste Ablaufbohrung 43.1 mit einer ersten Ablaufdrossel 44.1 sowie eine zweite Ablaufbohrung 43.2 mit einer zweiten Ablaufdrossel 44.2 ausbilden. Den beiden Ablaufdrosseln 44.1 und 44.2 ist jeweils ein in den Ringraum 36 mündender Diffusorabschnitt 45 vorgelagert. Die Neigung der Schrägbohrungen 42 bzw. der erste Ablaufbohrung 43.1 mit der ersten Ablaufdrossel 44.1 und der zweiten Ablaufbohrung 43.2 mit der zweiten Ablaufdrossel 44.2 weist zweckmäßigerweise einen Winkel α von 40°–55°, vorzugweise 50° auf, wobei der Winkel α bezogen auf eine senkrechte Ebene zur Mittelachse des Führungszapfens 30 gemessen ist. Die Ablaufbohrungen 43.1 und 43.2 führen jeweils mit ihrer Ablaufdrossel 44.1 und 44.2 in eine am Endabschnitt der Steigbohrung 41 ausgebildete konische Ringfläche 47, wobei die Öffnungen der Ablaufdrosseln 44.1. und 44.2 im Wesentlichen senkrecht in die konische Ringfläche 47 münden. Der Ventilsitz ist beim Ausführungsbeispiel in 2 ein Kegelsitz, vorzugweise mit geringer Sitzwinkeldifferenz und einer Sitzbreitenbegrenzung.
Zur Reduzierung des Fertigungsaufwandes kann, wie bereits erwähnt, gemäß 3 eine der beiden Schrägbohrungen 42 als Sacklochbohrung 48 ausgeführt sein. Zur Ausbildung einer im Wesentlichen gleichmäßigen mechanischen Beanspruchung des besagten Materialabschnitts am Ventilstück 18 bzw. im Führungszapfen 30 entspricht der Durchmesser der Sacklochbohrung 48 im Wesentlichen dem Durchmesser des Diffusorabschnitts 45 der anderen Schrägbohrung 42, die die Ablaufbohrung 43.1 mit dem der Ablaufdrossel 44.1 ausbildet. Damit liegt eine im Wesentlichen symmetrisch ausgebildete und im Wesentlichen gleichmäßig verteilte Materialschwächung am besagten Abschnitt des Ventilstücks 18 bzw. des Führungszapfens 31 vor. Der Ventilsitz 35 ist beim Ausführungsbeispiel in 3 als Kegelsitz ausgeführt.
Durch die Variation des Winkels α der Schrägbohrungen 42 ist eine vorteilhafte Beeinflussung der Bauteilfestigkeit sowie die Realisierung von mindestens einer Ablaufbohrung mit jeweils einem konzentrisch angeordneten Diffusor möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1612403 A1 [0002]

Claims

Steuerventil zum Ansteuern eines Steuerraums (20) eines Kraftstoffinjektors mit einer Steuerhülse (31), die an einem Führungszapfen (30) eines Ventilstücks (18) axial beweglich geführt ist und die mit einer Schließkraft gegen einen am Führungszapfen (30) oder am Ventilstück (18) ausgebildeten Ventilsitz (35) drückt, wobei die Steuerhülse (31) von einem Stellelement (14) betätigbar ist, wobei zwischen Steuerhülse (31) und Führungszapfen (30) ein Ringraum (36) ausgebildet ist, der von der Steuerhülse (31) im Zusammenwirken mit dem Ventilsitz (35) begrenzt ist, wobei der Ringraum (36) in einen Niederdruckraum (37), der mit dem Niederdruck-/Rücklaufsystem hydraulisch verbunden ist, über den Ventilsitz (35) druckentlastbar ist, und wobei im Ventilstück (18) eine im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Steigbohrung (41) und eine davon abzweigende hydraulischen Verbindung vorgesehen ist, die als Ablaufbohrung über die Steigbohrung (41) den Steuerraum (20) und den Ringraum (36) hydraulische verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei symmetrisch angeordnete Schrägbohrungen (42) vorgesehen sind, die vom Ringraum (36) aus in Richtung der Steigbohrung (41) weisen, und dass zumindest eine der beiden Schrägbohrungen (42) als hydraulischen Verbindung (43.1, 43.2) die Ablaufbohrung zwischen Steuerraum (20) und Ringraum (36) ausbildet.
Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine hydraulischen Verbindung (43.1, 43.2) einen in den Ringraum (36) mündenden Diffusorabschnitt (45) und eine zur Steigbohrung (41) weisende Ablaufdrossel (44.1, 44.2) aufweist, wobei der Diffusorabschnitt (45) einen größeren Durchmesser besitzt als die Ablaufdrossel (44.1, 44.2).
Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen Verbindung (43.1, 43.2) jeweils mit ihrer Ablaufdrossel (44.1, 44.2) in einen Endabschnitt der Steigbohrung (41) führen.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine hydraulische Verbindung (43.1, 43.2) in einer Ebene in die Steigbohrung (41) mündet, die unterhalb des Ringraums (36) in Richtung Steuerraum (20) liegt.
Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei symmetrisch angeordneten hydraulische Verbindungen (43.1, 43.2) mit jeweils einer Ablaufdrossel (44.1, 44.2) zwei Ablaufbohrungen ausbilden.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass eine der mindestens zwei Schrägbohrungen (42) eine Sacklochbohrung (48) ist.
Steuerventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass die Sacklochbohrung (48) im Wesentlichen den Durchmesser des Diffusorabschnitts (45) der hydraulischen Verbindung (43.1, 43.2) aufweist.