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Die Erfindung betrifft ein Ventil für eine Komponente eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem solchen Ventil.
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Stand der Technik
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In aktuellen Common-Rail-Einspritzsystemen werden in verschiedenen Komponenten Ventile eingesetzt, bei dem beispielsweise ein als Ventilnadel ausgebildetes hubbewegliches Ventilglied über eine in einem Ventilkörper ausgebildete Führung mit sehr engem Spiel geführt wird. Insbesondere bei druckausgeglichenen Ventilen, das heißt bei Ventilen, an deren Ventilglied in Schließstellung im Wesentlichen keine in Bewegungsrichtung des Ventilgliedes wirksame hydraulische Kraft anliegt, wird das Spiel zur Minimierung der Leckage möglichst klein gewählt. Da sich bei Verwendung bestimmter Kraftstoffsorten und/oder bei hohen Temperaturen an den jeweiligen Führungsflächen Beläge aufgrund Kraftstoffablagerungen bilden können, kann die Beweglichkeit des Ventilgliedes eingeschränkt sein. Bei druckausgeglichenen Ventilen entstehen im Bereich der Führung bedingt durch den Druckabbau von Raildruck auf Rücklaufdruck besonders hohe Temperaturen, so dass dort die Belagbildung besonders kritisch ist.
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In den 1a und 1b ist die unerwünschte Belagbildung an dem Beispiel eines als Ventilnadel ausgeführten hubbeweglichen Ventilgliedes 1 dargestellt, das in einer Führung 8 eines Ventilkörpers 7 aufgenommen ist. Der Pfeil deutet die Bewegungsrichtung 18 des Ventilgliedes 1 an. An einer entsprechenden Bewegung wird das Ventilglied 1 jedoch durch einen sich am Ventilglied 1 gebildeten Belag 17 gehindert. In Abhängigkeit von der konkreten Ausführungsform des Ventils kann sich der Belag 17 unterhalb der Führung 8 bilden (siehe 1a), so dass das Ventilglied 1 in seiner unteren Endlage klemmt, oder er kann sich oberhalb der Führung 8 bilden (siehe 1b), so dass das Ventilglied 1 in seiner oberen Endlage klemmt.
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Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil für eine Komponente eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem hubbeweglich geführten Ventilglied zu schaffen, das möglichst unempfindlich gegenüber einer Belagbildung im Führungsbereich des Ventilgliedes ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Ventil umfasst ein hubbeweglich geführtes Ventilglied, dessen Hubbewegung eine Entlastung eines Druckraumes bei Abheben einer am Ventilglied ausgebildeten Dichtfläche von einem Ventilsitz bewirkt. Eine Umfangsfläche des Ventilgliedes wirkt dabei mit einer in einem Ventilkörper ausgebildeten Führung oder einem im Ventilglied aufgenommenen Führungselement einen Führungsspalt bildend zusammen. Erfindungsgemäß erfährt der Führungsspalt in wenigstens einem Endabschnitt eine radiale Aufweitung durch eine im Ventilglied, in der Führung oder im Führungselement ausgebildete Ringnut, welche sich in axialer Richtung über den Führungsspalt hinaus erstreckt. Die Ringnut ist somit in einem im Hinblick auf eine unerwünschte Belagbildung besonders kritischen Bereich ausgebildet, nämlich in einem Endabschnitt des Führungsspaltes zwischen dem Ventilglied und der Führung bzw. dem im Ventilglied aufgenommenen Führungselement Kommt es dort zu einer Belagbildung, kann die Ringnut aufgrund der radialen Aufweitung des Führungsspaltes ein Verklemmen des Ventilgliedes verhindern. Dadurch, dass sich die Ringnut zudem über den Führungsspalt hinaus erstreckt, bleibt der jeweilige Endabschnitt des Führungsspaltes auch bei einer Hubbewegung des Ventilgliedes erweitert Um ein Verklemmen über den gesamten Hub des Ventilgliedes zu verhindern, erstreckt sich die Ringnut bevorzugt wenigstens um ein dem Hub des Ventilgliedes entsprechendes Maß h über den Führungsspalt hinaus.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilglied eine in der Führung des Ventilkörpers hubbeweglich geführte Ventilnadel. Die Ringnut ist dabei außenumfangsseitig an der Ventilnadel oder innenumfangsseitig im Bereich der Führung ausgebildet. Das heißt, dass die Ringnut sowohl am beweglichen Ventilglied als auch am feststehenden Ventilkörper ausgebildet sein kann. Ist die Ringnut beispielsweise an der Ventilnadel ausgebildet, führt dies zur Freistellung eines Ventilnadelbereichs, der beim Öffnen des Ventils in die Führung eintaucht. Aufgrund der Freistellung kann ein sich in diesem Bereich bildender Belag die Bewegung der Ventilnadel nicht behindern.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilglied eine das Führungselement aufnehmende Ventilhülse. Die Ringnut ist dabei bevorzugt außenumfangsseitig am Führungselement ausgebildet. Das Führungselement kann beispielsweise eine Ankernadel oder ein Ankerbolzen einer Ankeranordnung eines Magnetventils sein. Durch die Ringnut am Führungselement ist eine den Führungsspalt begrenzende Innenumfangsfläche der Ventilhülse freigelegt, so dass ein sich an der Ventilhülse bildender Belag bis in den Führungsspalt hinein ziehen kann. Indem sich die Ringnut jedoch über den Führungsspalt hinaus erstreckt, bleibt ein ausreichender Bewegungsraum für die Ventilhülse erhalten. Entsprechendes gilt in Bezug auf einen sich am Führungselement ausbildenden Belag.
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Da die Vorteile der Erfindung insbesondere bei Ventilen mit kleinem Führungsspiel zum Tragen kommt, wird ferner ein Ventil mit einem hubbeweglichen Ventilglied und einer Führung bzw. einem Führungselement vorgeschlagen, bei welchem der Führungsspalt zwischen dem Ventilglied und der Führung bzw. dem Führungselement ein Führungsspiel ≤ 10 μm besitzt.
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Vorzugsweise besitzt die Ringnut eine Tiefe t, die größer als das Führungsspiel des Führungsspalts ist Weiterhin vorzugsweise beträgt die Tiefe t das fünf- bis fünfzigfache des Führungsspiels. Dadurch ist sichergestellt, dass ein Belag, der beispielsweise die Stärke des Führungsspiels besitzt, die Bewegung des Ventilgliedes nicht zu behindern vermag.
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Des Weiteren vorzugsweise besitzt die Ringnut eine Breite b, die größer als oder zumindest gleich groß wie die Tiefe t ist. Vorzugsweise beträgt die Breite b weniger als das sechzigfache der Tiefe t Die Ringnut sollte sich dabei bevorzugt wenigstens um das dem Hub entsprechende Maß h über den Führungsspalt hinaus erstrecken. Durch diese Maßnahmen ist sichergestellt, dass ein Verklemmen des Ventilgliedes über den gesamten Hubbereich verhindert wird.
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Die Ringnut besitzt bevorzugt parallel verlaufende Nutflanken, die weiterhin bevorzugt senkrecht zur jeweiligen Umfangsfläche verlaufen. Entlang der Schnittlinie der Nutflanken mit der Umfangsfläche bilden sich somit die Ringnut begrenzende Ringkanten aus, deren Begrenzungsflächen einen Winkel von 90° umschließen. Alternativ wird vorgeschlagen, dass sich die Ringnut zum Nutgrund hin aufwertet. Das heißt, dass die Nutflanken nicht senkrecht zur Umfangsfläche verlaufen, sondern die Ringkanten hinterschneiden. Die Begrenzungsflächen der Ringkanten umschließen demnach einen Winkel < 90°. Durch eine möglichst scharfkantige Ausführung der die Ringnut begrenzenden Ringkanten können die Einflüsse von Belägen im Bereich der Kante gering gehalten werden.
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Vorteilhafterweise besitzt demnach wenigstens eine die Ringnut begrenzende Ringkante einen Kantenradius r ≤ 0,5 mm oder eine Fase ≤ 0,2 mm.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass sich die Ringnut in wenigstens einer Endlage des Ventilgliedes um ein Maß Ü in den Führungsspalt hinein oder über den Führungsspalt hinaus erstreckt. Das Maß Ü beträgt dabei vorzugsweise mindestens das einfache Führungsspiel. Der Hub des Ventilgliedes und die Breite b der Ringnut sind weiterhin bevorzugt derart zu wählen, dass der Hub innerhalb des Bereiches der Ringnut erfolgt, so dass stets eine Überdeckung der Ringnut mit einer den Führungsspalt begrenzenden Ringkante an der der Ringnut gegenüberliegenden Umfangsfläche gegeben ist.
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Darüber hinaus wird ein Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem erfindungsgemäßen Ventil vorgeschlagen. Das Ventil kann beispielsweise als Steuerventil zur Ansteuerung einer Düsennadel des Injektors dienen. Darüber hinaus kann das Ventil als Einspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff dienen. Das heißt, dass der Injektor selbst als erfindungsgemäßes Ventil ausgebildet ist. Der Düsenkörper bildet dann den Ventilkörper und die Düsennadel das im Ventilkörper hubbeweglich geführte Ventilglied aus.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1a, b jeweils einen Längsschnitt durch den Führungsbereich eines Ventilgliedes eines aus dem Stand der Technik bekannten Ventils,
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2 einen Längsschnitt durch den Führungsbereich eines Ventilgliedes eines ersten erfindungsgemäßen Ventils,
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3a–c jeweils einen Längsschnitt durch den Führungsbereich eines Ventilgliedes eines zweiten erfindungsgemäßen Ventils,
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4a–c jeweils einen Längsschnitt durch den Führungsbereich eines Ventilgliedes ein dritten erfindungsgemäßes Ventils,
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5 einen Längsschnitt durch ein viertes erfindungsgemäßes Ventil,
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6 einen Längsschnitt durch ein fünftes erfindungsgemäßes Ventil,
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7 einen Längsschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
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8 einen Längsschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor und
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9 einen Längsschnitt durch einen dritten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Zwecks Vermeidung von Wiederholungen wird im Hinblick auf die 1a und 1b auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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Um bei einer Belagbildung entsprechend der 1a und 1b ein Verklemmen des nadelförmigen hubbeweglichen Ventilgliedes 1 in der Führung 8 des Ventilkörpers 7 zu verhindern, weist das Ventilglied 1 des in der 2 dargestellten erfindungsgemäßen Ventils an seiner Außenumfangsfläche 5, welche mit der Führung 8 einen Führungsspalt 10 bildend zusammenwirkt, eine Ringnut 13 auf. Die Ringnut 13 besitzt senkrecht zur Außenumfangsfläche 5 und einem Nutgrund 15 verlaufende Nutflanken 14, wobei die Anordnung der Ringnut 13 mit einer Breite b und einer Tiefe t in der Weise erfolgt, dass sie in einer ersten Endlage des Ventilgliedes 1 sich um ein Maß Ü1 in den Führungsspalt 10 hinein erstreckt und in einer zweiten Endlage des Ventilgliedes 1 sich um ein Maß Ü2 über den Führungsspalt 10 hinaus erstreckt. Beim Wechsel von einer Endlage in die andere führt das Ventilglied 1 einen dem Maß h entsprechenden Hub aus. Das heißt, dass der Hub des Ventilgliedes 1 innerhalb der Breite b der Ringnut 13 vollzogen wird. Durch die Ringnut 13 erfährt der Führungsspalt 10 in einem oberen Endabschnitt 11 eine radiale Aufweitung, welche ein Verklemmen des Ventilgliedes 1 bei einer Belagbildung am Ventilglied 1 und/oder am Ventilkörper 7 verhindert. Die Bewegungsrichtung 18 des vorliegend nadelförmigen Ventilgliedes 1 beim Öffnen wird durch den Pfeil angezeigt.
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In Abhängigkeit von der konkreten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils kann die radiale Aufweitung des Führungsspalts 10 über die Ringnut 13 auch in einem unteren Endabschnitt 12 vorgesehen sein. Die Bewegungsrichtung 18 des nadelförmigen Ventilgliedes 1 beim Öffnen ist dann umgekehrt (siehe 3a und 3b). Die Ringnut 13 weist auch hier parallele Nutflanken 14 und einen Nutgrund 15 auf. Alternativ kann die Ringnut 13 einen Querschnitt aufweisen, der sich zum Nutgrund 15 hin aufweitet. Die Ringnut 13 begrenzende Ringkanten 16 würden dann von den Nutflanken 14 hinterschnitten. Wie den 3b und 3c zu entnehmen ist, welche das Ventilglied 1 in seinen beiden Endlagen zeigt, verhindert die Ringnut 13 ein Verklemmen des Ventilgliedes 1 bei Ausführen einer Hubbewegung. Durch die Freistellung des Ventilgliedes 1 über die Ringnut 13 wird verhindert, dass am Ventilkörper 7 und/oder am Ventilglied 1 anhaftende Beläge 17, die dicker sind als das Führungsspiel zwischen dem Ventilglied 1 und der Führung 8 des Ventilkörpers 7, die Bewegung des Ventilgliedes 1 nach oben behindern.
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Das in den 4a bis 4c dargestellte Beispiel eines erfindungsgemäßen Ventils weist ein hülsenförmiges hubbewegliches Ventilglied 1 auf, in welchem ein Führungselement 9 aufgenommen ist. Vorliegend wirkt eine Innenumfangsfläche 6 des hülsenförmigen Ventilgliedes 1 mit dem Führungselement 9 einen Führungsspalt 10 bildend zusammen. Die Ringnut 13 ist am Führungselement 9 ausgebildet, so dass der Führungsspalt 10 in seinem oberen Endabschnitt 11 eine radiale Aufweitung erfährt. Zum Öffnen bewegt sich das hülsenförmige Ventilglied nach oben (siehe durch Pfeil angedeutete Bewegungsrichtung 18). Bei der Bildung von Belägen 17 am hülsenförmigen Ventilglied 1 und/oder am Führungselement 9 vermag die Ringnut 13 ein Verklemmen des Ventilgliedes 1 zu verhindern.
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Das in der 5 dargestellte weitere erfindungsgemäße Ventil ist als Magnetventil ausgelegt und umfasst eine Spulenanordnung 19, welche mit einem Anker 20 zusammenwirkt Der Anker 20 ist mit einem Ventilglied 1 verbunden, das über eine in einem Ventilkörper 7 ausgebildete Führung 8 hubbeweglich geführt ist. In 5 ist das Ventilglied 1 in Schließstellung dargestellt, wobei eine am Ventilglied 1 ausgebildete konisch verlaufende Dichtfläche 3 mit einem im Ventilkörper 7 ausgebildeten Ventilsitz 4 dichtend zusammenwirkt, so dass in einem Druckraum 2 ein Druckaufbau möglich ist. Das Ventilglied 1 ist über einen zapfenartigen Ansatz in der Führung 8 geführt, wobei das Ventilglied 1 im Bereich zwischen dem zapfenartigen Ansatz und der Dichtfläche 3 einen verringerten Durchmesser besitzt Der zapfenartige Ansatz des Ventilgliedes 1 wirkt mit der Führung 8 des Ventilkörpers 7 einen Führungsspalt 10 bildend zusammen. Der Führungsspalt 10 erfährt in einem oberen Endabschnitt 11 durch eine innerhalb der Führung 8 ausgebildete Ringnut 13 eine radiale Aufweitung, welche einem Verklemmen des Ventilgliedes 1 bei Ausführen einer Hubbewegung bedingt durch Beläge 17 im Führungsbereich des Ventilgliedes 1 entgegen wirkt.
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Ein weiteres als Magnetventil ausgebildetes erfindungsgemäßes Ventil ist in der 6 dargestellt Der Anker 20 ist vorliegend mit einem hülsenförmigen Ventilglied 1 verbunden, dessen Innenumfangsfläche 6 mit einem bolzenförmigen Führungselement 9 einen Führungsspalt 10 bildend zusammenwirkt In einem oberen Endabschnitt (11) des Führungsspalts 10 kann es zu einer Belagbildung kommen. Um die Bewegung es hülsenförmigen Ventilgliedes 1 nicht zu behindern, weist das bolzenförmige Führungselement 9 im Bereich des oberen Endabschnitts 11 des Führungsspalts 10 eine Ringnut 13 auf, durch welche der Führungsspalt 10 eine radiale Aufweitung erfährt Der 7 ist ein erster erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor zu entnehmen, welcher ein Magnetventil als Steuerventil besitzt. Das Magnetventil umfasst eine Spulenanordnung 19, welche mit einem hubbeweglichen Anker 20 in der Weise zusammenwirkt, dass bei einer Bestromung der Spulenanordnung 19 sich der Anker 20 aufgrund eines sich aufbauenden Magnetfeldes in Richtung der Spulenanordnung 19 bewegt. Wird die Bestromung der Spulenanordnung 19 beendet, wird der Anker 20 über eine Feder 21 in seine Ausgangslage zurückgestellt. Der Anker 20 ist mit einem hülsenförmigen Ventilglied 1 verbunden, dessen Dichtfläche 3 bei einer Hubbewegung des Ankers 20 von einem Ventilsitz 4 angehoben wird, so dass ein Druckraum 2 entlastet wird. Der Druckraum 2 ist über eine Drossel 22 mit einem Steuerraum 23 verbunden, so dass mit Öffnen des Ventils auch der Druck im Steuerraum 23 abfällt. Dies ermöglicht einen Öffnungshub einer Düsennadel 24, welche mit einer Stirnfläche den Steuerraum 23 begrenzt. Durch den Öffnungshub der Düsennadel 24 wird wenigstens eine in einem Düsenkörper 26 ausgebildete Einspritzöffnung 25 freigegeben. In Schließstellung ist das hülsenförmige Ventilglied 1 des Magnetventils druckausgeglichen, da im Wesentlichen keine in axialer Richtung wirksamen hydraulischen Kräfte am Ventilglied 1 anliegen. Wie bereits erwähnt ist bei druckausgeglichenen Ventilen die Gefahr einer Belagbildung im Führungsbereich des Ventilgliedes 1 besonders hoch. Der Führungsbereich umfasst vorliegend die Innenumfangsfläche 6 des hülsenförmigen Ventilgliedes 1 und einen im Ventilglied 1 aufgenommenes bolzenförmiges Führungselement 9. Damit eine Belagbildung im Führungsbereich nicht die Bewegung des Ventilgliedes 1 behindert, ist am Führungselement 9 eine Ringnut 13 ausgebildet. Die Ringnut 13 erstreckt sich vom Führungsbereich bis an das obere Ende des Führungselementes 9.
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Eine Abwandlung des Kraftstoffinjektors der 7 ist in der 8 dargestellt. Er weist ebenfalls ein Magnetventil als Steuerventil auf, wobei das Magnetventil wiederum eine Spulenanordnung 19 und einen mit einem hülsenförmigen Ventilglied 1 verbundenen Anker 20 umfasst Zur Führung des Ventilgliedes 1 nimmt dieses ein bolzenförmiges Führungselement 9 auf. Zwischen dem Führungselement 9 und dem Ventilglied 1 wird ein Führungsspalt 10 ausgebildet, welcher über eine im Führungselement 9 ausgebildete Ringnut 13 in einem oberen Endabschnitt 11 eine radiale Erweiterung erfährt. An die Ringnut 13 des Führungselementes 9 schließt sich in axialer Richtung ein Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser an.
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Der 9 ist ein weiterer erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor zu entnehmen. Bei dieser Ausführungsform bildet die Düsennadel 24 das Ventilglied 1 aus, das in einer Führung 8 des Ventilkörpers 7 bzw. des Düsenkörpers 26 hubbeweglich geführt ist. Bei einer Hubbewegung der Düsennadel 24 hebt eine Dichtfläche 3 der Düsennadel 24 von einem Ventilsitz 4 ab und stellt auf diese Weise eine hydraulische Verbindung zwischen einem Druckraum 2 und wenigstens einer Einspritzöffnung 25 her. Zwischen der Düsennadel 24 und der Führung 8 wird ein Führungsspalt 10 ausgebildet. In einem unteren Endabschnitt 11 erfährt der Führungsspalt 10 durch eine in einer Außenumfangsfläche 5 der Düsennadel 24 ausgebildeten Ringnut 13 eine radiale Erweiterung. Diese verhindert, dass an der Düsennadel 24 oder an dem Düsenkörper 26 anhaftende Beläge zu einem Verklemmen der Düsennadel 24 bei Ausführen einer Hubbewegung führen.
