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Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einem solchen Steuerventil.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2006 061 895 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem Steuerventil bekannt, wobei das Steuerventil ein hubbeweglich aufgenommenes Ventilglied umfasst, das in einen unter Kraftstoffhochdruck stehenden Ventildruckraum ragt und eine Dichtfläche zur Dichtung gegen einen Ventilsitz aufweist. Die Dichtfläche ist vorliegend als Flachsitzdichtfläche ausgebildet. Beim Abheben der Flachsitzdichtfläche vom Ventilsitz ist der Ventildruckraum in einen Niederdruckraum entlastbar. Um zumindest in der Schließbewegung des Ventilgliedes eine Dämpfungswirkung zu schaffen, ist an das Ventilglied ein Zapfen axial angesetzt, der beim Schließen des Ventils in den Niederdruckraum eintaucht und als Dämpfungsglied dient.
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Ein weiteres Steuerventil für einen Injektor eines Kraftstoffeinspritzsystems geht aus der Offenlegungsschrift
DE 199 41 709 A1 hervor. Das hierin beschriebene Steuerventil ist als Sitz-Sitz-Ventil mit einteiligem Gehäuse und zweiteiligem Ventilglied ausgeführt. Das gebaute Ventilglied weist zwei Dichtflächen auf, die jeweils mit einem ihnen zugeordneten Ventilsitz zusammenwirken. Die Ventilsitze werden über Ringnuten im Ventilkörper ausgebildet, an welche sich jeweils ein Führungsbereich zur Führung des hochbeweglich aufgenommenen Ventilgliedes anschließt.
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Als Steuerventil eines Kraftstoffinjektors steht das Ventilglied in Kontakt mit dem einzuspritzenden Medium, d. h. dem Kraftstoff. In der Regel werden die dynamisch belasteten Kontaktflächen am Ventilglied über den Kraftstoff geschmiert, um den Verschleiß an den Kontaktflächen zu mindern. Der Verschleiß und damit die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors hängen somit von den Eigenschaften des Kraftstoffs sowie seiner Bestandteile ab. Die Zusammensetzung des Kraftstoffs kann beispielsweise Auswirkungen auf die Bildung von Belägen an Oberflächen haben, die in Kontakt mit dem Kraftstoff stehen. Eine Belagbildung bei Diesel-Kraftstoffen kann beispielsweise durch Metallseifen, durch Alterungspolymerbestandteile aufgrund von Bioanteilen im Kraftstoff oder durch Polymerbestandteile bestimmter Detergenzien entstehen. Erfahrungsgemäß unterstützt eine hohe Temperatur die Bildung von Belägen, da der Alterungsprozess des Kraftstoffs beschleunigt wird. Der Kraftstoff oxidiert und bildet Säuren, die einer chemischen Reaktion zur Bildung von Belägen förderlich sind.
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Die Belagbildung kann an beweglichen Teilen, wie beispielsweise dem Ventilglied eines Steuerventils, zur Schwergängigkeit und schließlich zum Blockieren des beweglichen Teils führen, was es zu verhindern gilt. Befunde an Kraftstoffmagnetventilen, insbesondere Dieselmagnetventilen, zeigen, dass Beläge vor allem am Ventilglied im Bereich der gut durchströmten Hochdruckräume entstehen und in den Bereich der Führung hineinwachsen können. Dies führt zu einer Beeinträchtigung der Bewegung des Ventilgliedes und kann eine Einspritzmengenveränderung bewirken, die nicht mehr tolerabel ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, das die vorstehend genannten Nachteile nicht oder zumindest in deutlich verringertem Maße aufweist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Steuerventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Steuerventil umfasst einen Ventilkörper sowie ein Ventilglied, das in einer Führung des Ventilkörpers hubbeweglich geführt ist und eine mit einem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtfläche aufweist. Dabei bewirkt ein Abheben der Dichtfläche vom Ventilsitz eine Entlastung eines zwischen der Führung und dem Ventilsitz ausgebildeten Hochdruckraumes. Erfindungsgemäß ist im Bereich der Führung wenigstens eine als Abstreifer dienende Ringkante am Ventilkörper und/oder am Ventilglied ausgebildet, wobei die Ringkante entlang der Schnittlinie zweier Begrenzungsflächen verläuft, die einen Winkel α ≤ 90° umschließen. Die Abstreiffunktion der Ringkante verhindert weitgehend eine Belagbildung im Führungsbereich bzw. am Ventilglied des Steuerventils, so dass die Gefahr einer Beeinträchtigung der Bewegung des Ventilgliedes deutlich reduziert ist. Die Anordnung der Ringkante im Führungsbereich wirkt insbesondere einer Belagbildung entgegen, welche aufgrund des geringen Führungsspiels zum Verklemmen des Ventilgliedes in der Führung des Ventilkörpers führen könnte. Bei jeder Bewegung des Ventilgliedes gegenüber dem Ventilkörper bewirkt die Ringkante ein Abkratzen und Abstreifen etwaiger anhaftender Beläge, so dass ein gewisses Führungsspiel zur ungehinderten Bewegung des Ventilgliedes erhalten bleibt. Die gewünschte Wirkung ist unabhängig davon erzielbar, ob die Ringkante am Ventilkörper oder am Ventilglied ausgebildet ist.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Ringkante am Ventilkörper ausgebildet. Ferner begrenzt wenigstens eine der beiden Begrenzungsflächen die Führung oder den Hochdruckraum. D. h., dass die Ringkante bevorzugt im Bereich des Übergangs des Hochdruckraums in die Führung ausgebildet ist. Wird der Winkel α ≤ 90° gewählt und/oder die Ringkante mit einem Hinterstich versehen, erfährt die Abstreifwirkung durch den Druck im Hochdruckraum eine zusätzliche Unterstützung. Die Ringkante am Ventilkörper wirkt insbesondere einer Belagbildung am Ventilglied entgegen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ringkante am Ventilglied ausgebildet und wenigstens eine der beiden Begrenzungsflächen begrenzt eine Umfangsnut des Ventilgliedes. Das Einbringen einer Umfangsnut am Ventilglied ermöglicht zudem die Ausbildung zweier axial zueinander beabstandeter Ringkanten, die beim Überstreichen des Führungsbereiches einer Belagbildung innerhalb der Führung des Ventilkörpers entgegenwirken. Zur Ausbildung weiterer Ringkanten können außenumfangseitig am Ventilglied mehrere Umfangsnuten eingebracht sein.
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Um sowohl eine Belagbildung am Ventilkörper als auch am Ventilglied zu verhindern, wird eine Ausführungsform vorgeschlagen, welche wenigstens eine Ringkante sowohl am Ventilkörper als auch am Ventilglied vorsieht.
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Vorteilhafterweise beträgt das Führungsspiel zwischen der Führung und dem Ventilglied 1 bis 3 μm. Durch ein derart geringes Führungsspiel kann eine Abdichtung des Hochdruckraums gegenüber einem sich jenseits an die Führung anschließenden Niederdruckraum bewirkt werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass am Ventilglied wenigstens eine als Tasche dienende Umfangsnut ausgebildet ist. Die Tasche vermag abgestreifte bzw. abgekratzte Beläge aufzunehmen, die durch den Kraftstoff nicht weggespült werden können. Dadurch wird vermieden, dass Belagreste sich in den Zwischenraum zwischen Ventilglied und Führung setzten und eine Klemmwirkung erzeugen. Dabei kann die als Tasche dienende Umfangsnut zugleich der Ausbildung wenigstens einer Ringkante dienen, die als Abstreifer fungiert.
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Die als Tasche dienende Umfangsnut kann auch Beläge in der Form aufnehmen, dass diese am Nutgrund anhaften und sich innerhalb der Tasche aufbauen. Am Nutgrund anhaftende Beläge vermögen die Beweglichkeit des Ventilgliedes nicht einzuschränken und sind damit unschädlich.
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Bevorzugt ist das Steuerventil als Magnetventil ausgebildet und umfasst eine Spulenanordnung sowie einen mit der Spulenanordnung zusammenwirkenden Anker. Der Anker ist weiterhin bevorzugt derart mit dem Ventilglied verbunden, dass eine Bestromung der Spulenanordnung ein Hubbewegung des Ankers einschließlich des Ventilgliedes in Richtung der Spulenanordnung bewirkt. Die Rückstellung des Ankers sowie des Ventilgliedes erfolgt vorzugsweise durch die Federkraft einer Ventilfeder.
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Der ferner zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene Kraftstoffinjektor weist ein erfindungsgemäßes Steuerventil, beispielsweise in Form eines Magnetventils, auf. Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Steuerventils kommen insbesondere beim Kraftstoffinjektor zum Tragen, da hier das Ventilglied in Kontakt mit dem Kraftstoff steht. Die veränderte Zusammensetzung heutiger Kraftstoffe fördert eine Belagbildung im Führungsbereich des Ventilgliedes, so dass die Funktionsfähigkeit des Kraftstoffinjektors durch Einsatz eines erfindungsgemäßen Steuerventils langfristig gewährleistet wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Steuerventil,
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2 einen Ausschnitt aus der 1 im Bereich der Führung des Ventilgliedes, wobei die Form des Hochdruckraums stark vereinfacht dargestellt ist,
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3a–c alternative Ausführungsformen einer Ringkante am Ventilkörper,
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4 einen Längsschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Steuerventil,
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5 einen Teillängsschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Steuerventil und
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6 einen Teillängsschnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Steuerventil.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte, aus dem Stand der Technik bekannte Steuerventil umfasst ein in einem Ventilkörper 1 hubbeweglich aufgenommenes Ventilglied 2, das über eine Führung 3 des Ventilkörpers 1 geführt ist. Am Ventilglied 2 ist eine konische Dichtfläche 4 ausgebildet, welche mit einem ebenfalls konischen Ventilsitz 4 des Ventilkörpers 1 zusammenwirkt. Zwischen dem Ventilsitz 4 und der Führung 3 ist im Ventilkörper 1 ein Hochdruckraum 6 ausgebildet, in den ein Zulauf 15 mündet, welcher in hydraulischer Verbindung mit einem Hochdruckkanal 16 steht. Über den Zulauf 15 gelangt unter hohem Druck stehender Kraftstoff in den Hochdruckraum 6. Zur Betätigung des Steuerventils bzw. des Ventilgliedes 2 ist eine Spulenanordnung 13 vorgesehen, welche mit einem Anker 12 zusammenwirkt, der am Ventilglied 2 befestigt ist. Wird die Spulenanordnung 13 bestromt, wird ein Magnetfeld erzeugt, das dazu führt, dass sich Anker 12 und Ventilglied 2 in Richtung der Spulenanordnung bewegen. Dabei hebt das Ventilglied 2 vom Ventilsitz 4 ab, so dass das Ventil öffnet und Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 6 abströmen kann. Zum Schließen des Ventils wird die Bestromung der Spulenanordnung 13 beendet und das Ventilglied 2 einschließlich des Ankers 12 über die Federkraft einer Ventilfeder 14 in den Ventilsitz 4 zurückgestellt.
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2 zeigt in einen Ausschnitt der 1 in einer vergrößerten Darstellung, wobei die Form des Hochdruckraums 6 stark vereinfacht ist. Der als Ringraum ausgebildete Hochdruckraum 6 geht über eine Ringkante 7 in die Führung 3 über. Der Querschnitt des Ringraums ist üblicherweise derart gewählt, dass die Ringkante 7 entlang einer Schnittlinie zweier Begrenzungsflächen verläuft, welche einen Winkel α > 90° umschließen (siehe auch 3c). Um eine als Abstreifer dienende Ringkante 7 auszubilden, wird eine alternative Ausführung des Hochdruckraums 6 vorgeschlagen, welche den 3a und 3b zu entnehmen ist. Gemäß der Ausführungsform der 3a wird die Ringkante 7 von zwei Begrenzungsflächen 8, 9 gebildet, welche einen Winkel α ≤ 90° umschließen. Im Ausführungsbeispiel der 3b ist zudem ein Hinterstich in die Begrenzungsfläche 9 eingebracht. Die Begrenzungsflächen 8, 9 werden gemäß der Ausführungsformen der 3a und 3b jeweils durch die Innenumfangsfläche der Führung 3 und die radial verlaufende Begrenzungsfläche des Hochdruckraums 6 gebildet. Diese schneiden sich und bilden somit die Ringkante 7 aus. Die in den 3a und 3b dargestellte Ringkante 7 bewirkt, dass im Falle einer Belagbildung am Ventilglied 2 der Belag 17 beim Überfahren der Ringkante 7 abgestreift wird. Durch einen Hinterstich, wie er in der 3b dargestellt ist, kann die Abstreifwirkung über den Druck im Hochdruckraum 6 noch verstärkt werden. Die Abstreiffunktion der Ringkante 7 stellt langfristig die Beweglichkeit des Ventilgliedes 2 und damit die Funktionsfähigkeit des Steuerventils sicher.
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Eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines Steuerventils mit einer am Ventilkörper 1 ausgebildeten Ringkante 7 entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 3a ist schematisch in der 4 dargestellt. Das Ventilglied 2 taucht in einen Hochdruckraum 6 ein, welcher durch einen konisch ausgebildeten Ventilsitz 4 begrenzt wird. Der Ventilsitz 4 wirkt mit einer ebenfalls konisch ausgebildeten Dichtfläche 5 am Ventilglied 2 zusammen. Der Hochdruckraum 6 geht am anderen Ende in eine Führung 3 über, wobei im Übergangsbereich eine Ringkante 7 ausgebildet ist, deren Begrenzungsflächen einen Winkel α ≤ 90° umschließen. Die Ringkante 7 dient somit als Abstreifer und wirkt einer Belagbildung am Ventilglied 2 entgegen. Insbesondere beim Öffnungshub des Ventilgliedes 2 streift die Ringkante 7 einen etwaigen am Ventilglied 2 anhaftenden Belag 17 ab, der sich vorzugsweise an den Stellen bildet, welche kraftstoffumspült sind. Insbesondere wird über die Ringkante 7 vermieden, dass etwaige Beläge 17 bis in die Führung 3 hineinwachsen. Sofern sich dennoch auch dort Beläge 17 bilden sollten, dienen außenumfangseitig am Ventilglied 2 angeordnete Umfangsnuten 11 als Taschen, um diese Beläge 17 aufzunehmen.
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Die Funktionsweise des Steuerventils der 4 entspricht darüber hinaus im Wesentlichen der des Steuerventils der 1. Zum Öffnen des Ventils wird die Spulenanordnung 13 bestromt, so dass der Anker 12 einschließlich des Ventilgliedes 2 entgegen der Federkraft der Ventilfeder 14 in Richtung der Spulenanordnung bewegt werden. Dabei hebt das Ventilglied 2 vom Ventilsitz 4 ab und öffnet. Kraftstoff kann somit aus dem Hochdruckraum 6 in einen Niederdruckbereich abfließen. Wird die Bestromung der Spulenanordnung 13 beendet, bewirkt die Federkraft der Ventilfeder 14 eine Rückstellung des Ventilgliedes 2 in den Ventilsitz 4. Entsprechend wird auch der Anker 12 zurückgestellt. Über einen Hochdruckkanal 16 und einen Zulauf 15 wird dem Hochdruckraum 6 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt, so dass der Druck im Hochdruckraum 6 wieder ansteigt. Das Führungsspiel zwischen der Führung 3 und dem Ventilglied 2 ist derart gering gewählt, dass eine Abdichtung des Hochdruckraums 6 gegenüber einem Niederdruckraum 18 bewirkt wird.
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Weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Steuerventils sind in den 5 und 6 dargestellt. Bei diesen Ausführungsformen wird die Ringkante 7 am Ventilglied 2 ausgebildet. Hierzu ist im Ventilglied 2 wenigstens eine Umfangsnut 10 eingebracht. Die Nutflanken verlaufen jeweils senkrecht zur Längsachse des Ventilgliedes 2, so dass die Begrenzungsflächen 8, 9 zur Ausbildung einer als Abstreifer dienenden Ringkante 7 einen rechten Winkel umschließen. An jeder Umfangsnut 10 liegen sich jeweils zwei Ringkanten 7 gegenüber. Jede Umfangsnut 10 bildet zugleich eine als Tasche dienende Umfangsnut 11 zur Aufnahme eines Belages 17 aus. Die Bewegung des Ventilgliedes 2 wird durch einen innerhalb der Umfangsnut 10, 11 anhaftenden Belag 17 nicht behindert. Ein darüber hinaus anwachsender Belag 17 wird durch die Ringkante 7 verhindert (siehe 5). Ebenso dient die Umfangsnut 10, 11 der Aufnahme von Belagresten, die von der Innenumfangsfläche der Führung 3 über eine Ringkante 7 abgestreift werden. Die Umfangsnut 10, 11 dient somit auch als Sammelraum (siehe 6).
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Die in den 4 bis 6 dargestellten Maßnahmen zur Ausbildung einer Ringkante 7 sind beliebig miteinander kombinierbar. Da sich Beläge 17 sowohl am Ventilglied 2 als auch am Ventilkörper 1 ausbilden können, erweist es sich als vorteilhaft, wenn sowohl am Ventilkörper 1 als auch am Ventilglied 2 wenigstens eine als Abstreifer dienende Ringkante 7 ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006061895 A1 [0002]
- DE 19941709 A1 [0003]
