DE102011078407A1

DE102011078407A1 - Schaltventil zur Steuerung eines Kraftstoffinjektors und Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102011078407A1
Application number: DE201110078407
Authority: DE
Inventors: Kai Sutter; Thomas Pauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-03
Also published as: WO2013000642A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltventil (10; 10a) zur Steuerung eines Kraftstoffinjektors (1), insbesondere eines Kraftstoffinjektors (1) in einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem Ventilstück (12), einem hubbeweglichen Ventilschließelement (30), das in einer Schließstellung an dem Ventilstück (12) einen Dichtsitz (35) ausbildet, wobei das Ventilschließelement (30) an Umfang eines stiftförmigen Führungselements (25) geführt ist, wobei im Ventilstück (12) eine Durchgangsbohrung (20) ausgebildet ist, die bei vom Dichtsitz (35) abgehobenem Ventilschließelement (30) eine hydraulische Verbindung zwischen einem Niederdruckbereich (36) und einem unter Hochdruck stehenden Steuerraum (16) ausbildet, wobei in der Durchgangsbohrung (20) in einem ersten Bohrungsabschnitt (21) eine Abströmdrossel (22) ausgebildet ist, und wobei sich an den ersten Bohrungsabschnitt (21) auf der dem Dichtsitz (35) zugewandten Seite ein zweiter Bohrungsabschnitt (23; 23a) anschließt. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass zumindest der der Durchgangsbohrung (20) zugewandte Endbereich des Führungselements (25) mit einer Kaviaitonsschutzeinrichtung (45) ausgestattet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Schaltventil zur Steuerung eines Kraftstoffinjektors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einem erfindungsgemäßen Schaltventil.
Ein derartiges Schaltventil ist aus der DE 10 2010 028 844 A1 der Anmelderin bekannt. Es dient der Steuerung einer Abströmmenge aus einem Steuerraum in einem Kraftstoffinjektor, der in einem sogenannten Common-Rail-Einspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine dient. Hierbei weist das bekannte Schaltventil einen Magnetanker auf, der von einer Magnetspule bestrombar ist, und der bei unbestromter Magnetspule mittels einer Druckfeder gegen eine Sitzfläche eines Ventilsstücks gedrückt wird und dort mit dem Ventilstück einen Dichtsitz ausbildet. Das Ventilstück ist über eine Bohrung mit dem angesprochenen Steuerraum des Kraftstoffinjektors hydraulisch verbunden, in den insbesondere ein Ende einer Düsennadel eintaucht. Der Steuerraum wird wiederum über eine Zulaufdrossel mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgt. Die im Ventilstück ausgebildete Bohrung weist einen Drosselabschnitt mit einer Abströmdrossel auf, an den sich ein im Durchmesser vergrößerter Bohrungsbereich anschließt, der bis in die Höhe des Ventilsitzes im Ventilstück reicht. Der Magnetanker weist eine mittige Durchgangsbohrung auf, in der dieser in einem Ankerbolzen gleitend geführt ist. Beim Abströmen des Kraftstoffs aus dem Steuerraum über die Bohrung in einen Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors findet im Bereich der Abströmdrossel eine starke Druckreduzierung statt, die dazu führt, dass es in dem Bohrungsbereich nach der Abströmdrossel zu Kavitationserscheinungen kommen kann. Die Kavitation führt insbesondere zu einem erhöhten Materialverschleiß an den Bauteilen, an deren Bereich die Kavitation stattfindet. Hiervon betroffen ist unter anderem auch der Ankerbolzen, insbesondere dessen dem Ventilsitz zugewandter Endabschnitt.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schaltventil zur Steuerung eines Kraftstoffinjektors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass dessen Ankerbolzen bzw. Führungselement gegenüber Kavitationserscheinungen robust ausgebildet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Schaltventil zur Steuerung eines Kraftstoffinjektors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zumindest der dem Ventilsitz des Führungselementes (Ankerbolzen) zugewandte Endbereich des Führungselementes mit einer Kavitationsschutzeinrichtung ausgestattet ist.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Kavitationsschutzeinrichtung durch Ausbildung zumindest des Endabschnitts des Führungselementes aus einem kavitationsunempfindlichen Material erfolgt. Insbesondere kann es dabei vorgesehen sein, dass das Material eine Keramik ist, bzw. dass der Endabschnitt des Ankerbolzens aus keramischem Material besteht.
Um einerseits die Herstellkosten des Schaltventils möglichst gering zu halten, und andererseits die weiterhin positiven Eigenschaften eines aus Metall bestehendem Führungselementes beizubehalten, ist in einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass lediglich der Endabschnitt des Führungselementes aus kavitationsunempfindlichem Material besteht. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Kavitationsschutzeinrichtung ein aus dem kaviatationsunempfindlichen Material bestehendes Schutzelement umfasst, das mit dem Endbereich des Führungselements verbunden ist. Beide angesprochenen Verbindungsarten sorgen über die Lebensdauer des Schaltventils betrachtet für eine ausreichend sichere Verbindung des aus keramischem Material bestehenden Endabschnitts mit dem Führungselement.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das gesamte Führungselement bzw. der gesamte Ankerbolzen aus Keramik besteht.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei einem Schaltventil einsetzbar, bei dem der Endabschnitt des Führungselementes (Ankerbolzen) in den zweiten Bohrungsabschnitts der Bohrung eintaucht. Ein derartiges Schaltventil bzw. Führungselement ist insbesondere den angesprochenen Kavitationserscheinungen ausgesetzt, so dass die Erfindung die denkbaren Folgen der Kavitation eines derartigen Schaltventils besonders gut vermeidet.
Besonders bevorzugt ist der Einsatz der Erfindung bei einem druckausgeglichenen Schaltventil in Verbindung mit einem Magnetaktor. Ein derartiges Schaltventil weist insbesondere relativ niedrige Fertigungskosten auf.
Die Erfindung umfasst auch einen Kraftstoffinjektor mit einem erfindungsgemäßen Schaltventil, wobei der Systemdruck im Kraftstoffinjektor mehr als 1600 bar, vorzugsweise mehr als 2000 bar beträgt. Bei den angesprochenen relativ hohen Systemdrücken findet im Bereich der Abströmdrossel ein besonders hoher Druckverlust statt, so dass derartige Schaltventile besonders zu Kavitationserscheinungen neigen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:
1 eine Ausschnitt aus einem Kraftstoffinjektor im Bereich eines erfindungsgemäßen Schaltventils bei einer ersten Ausgestaltung der Erfindung im Längsschnitt und
2 einen Teilausschnitt aus der 1 bei einem gegenüber der 1 modifizierten Schaltventil, ebenfalls im Längsschnitt.
Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist ein Ausschnitt eines Kraftstoffinjektors 1 dargestellt, der als Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine dient. Hierbei beträgt der Systemdruck in dem Common-Rail-Einspritzsystem bzw. dem Kraftstoffinjektor 1 insbesondere mehr als 1600 bar, vorzugsweise mehr als 2000 bar.
In einem Gehäuseteil 11 des Kraftstoffinjektors 1 ist ein erfindungsgemäßes, vorzugsweise druckausgeglichenes Schaltventil 10 angeordnet. Das Schaltventil 10 umfasst ein Ventilstück 12, das mit einem hülsenförmigen Abschnitt 13 in einen Hochdruckraum 14 des Kraftstoffinjektors 1 hineinreicht. In dem Abschnitt 13 ist eine Ausnehmung 15 ausgebildet, in der insbesondere das eine Ende einer in der 1 nicht dargestellten Düsennadel eintaucht. Die Ausnehmung 15 bildet einen Steuerraum 16 zur Auf- und Abwärtsbewegung der Düsennadel aus, um damit den Einspritzvorgang von Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 14 über Spritzöffnungen des Kraftstoffinjektors 1 in den Brennraum der Brennkraftmaschine zu steuern. Der Hochdruckraum 14 hat über eine Zulaufdrossel 17 Verbindung mit der Ausnehmung 15 bzw. mit dem Steuerraum 16.
In der Längsachse 19 des Schaltventils 10 ist in dem Ventilstück 12 eine Durchgangsbohrung 20 ausgebildet, die auf der dem Steuerraum 16 zugewandten Seite einen ersten Bohrungsabschnitt 21 aufweist, der eine Abströmdrossel ausbildet. An dem ersten Bohrungsabschnitt 21 schließt sich auf der dem Steuerraum 16 abgewandten Seite ein im Durchmesser gegenüber dem ersten Bohrungsabschnitt 21 vergrößerter zweiter Bohrungsabschnitt 23 an, der in einer kegelförmigen Erhöhung 24 des Ventilstücks 12 mündet.
In der Längsachse 19 des Schaltventils 10 ist ferner ein Führungselement 25 in Form eines Ankerbolzens 26 angeordnet, der der Längsführung eines Magnetankers 28 dient. Der Magnetanker 28 ist Bestandteil eines Magnetaktors 30 und weist auf der dem Ventilstück 12 zugewandten Seite einen hülsenförmigen Bereich 31 auf, der einstückig auf der dem Ventilstück 12 abgewandten Seite in einen plattenförmigen Ankerabschnitt 32 übergeht. Der Bereich 31 weist auf der der kegelförmigen Erhebung 24 zugewandten Seite eine erste Dichtfläche 33 auf, die mit einer durch die Erhebung 24 an dessen Außenumrandung ausgebildeten zweiten Dichtfläche 34 zusammenwirkt. Die beiden Dichflächen 33, 34 bilden bei der in der 1 dargestellten Schließpositon des Schalventils 10 einen Dichtsitz 35 aus, der verhindert, dass Kraftstoff aus dem Steuerraum 16 in einen Niederdruckbereich 36 abströmt, in dem auch der Magnetanker 28 angeordnet ist. Der Niederdruckbereich 36 hat wiederum in bekannter Art und Weise Verbindung zu einem Rücklaufanschluss des Kraftstoffinjektors 1 (nicht dargestellt).
Der Magnetaktor 30 umfasst neben dem Magnetanker 28 eine Magnetspule 37, die in einem Magnetkern 38 eingebettet ist. Der Magnetanker 28 ist radial von einer Hülse 39 umgeben, die ihrerseits zwischen dem Ventilstück 12 und dem Magnetkern 38 axial eingespannt ist. Hierzu dient beispielhaft eine Gehäuseplatte 41, die mit dem Gehäuseteil 11 wirkverbunden ist, und die den Magnetkern 38 in Richtung der Hülse 39 drückt. Der Ankerbolzen 26 ist über eine Einstellplatte 42 mit der Gehäuseplatte 41 verbunden. Zwischen der der Gehäuseplatte 41 zugewandten Seite des Magnetankers 28 und dem Ankerabschnitt 32 stützt sich eine den Ankerbolzen 26 radial umgebende Druckfeder 43 ab. Die Druckfeder 43 belastet den Magnetanker 28 mit einer Federkraft in Richtung des Ventilsstücks 12 derart, dass bei unbestromter Magnetspule 37 der Magnetanker 28 unter Ausbildung des Dichtsitzes 35 auf dem Ventilstück 12 aufsitzt.
Zum Freigeben der angesprochenen Spritzöffnungen im Kraftstoffinjektor 1 ist es erforderlich, dass der Steuerraum 16 druckentlastet wird. Hierzu wird der Magnetaktor 30 betätigt, indem die Magnetspule 37 bestromt wird. Dies hat zur Folge, dass der Magnetanker 28 entgegen der Federkraft der Druckfeder 43 von seinem Dichtsitz 35 abhebt, wodurch über die Durchgangbohrung 20 Kraftstoff aus dem Steuerraum 16, die Abströmdrossel 22 sowie die beiden Bohrungsabschnitte 21 und 23 in den Niederdruckbereich 36 abströmt. Durch den Druckabfall des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs aus dem Steuerraum 16 beim Durchströmen der Durchgangsbohrung 20 neigt der Bereich nach der Abströmdrossel 23 zur Kavitation. Um die Kavitationserscheinungen in den bauteilkritischen Bereichen zu mindern, ist es vorgesehen, dass der Ankerbolzen 26 auf der dem Ventilstück 12 zugewandten Stirnseite mit einer Kavitationsschutzeinrichtung 45 ausgestattet ist.
Die Kavitationsschutzeinrichtung 45 umfasst in dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Schaltventils 10 ein insbesondere aus kavitationsunempfindlichen Material, vorzugsweise aus Keramik bestehendes Schutzelement 46, das beispielhaft plattenförmig bzw. zylindrisch ausgebildet ist, und das mit dem Ankerbolzen 26 an dessen dem Ventilstück 12 zugewandter Stirnseite 47 fest verbunden ist, z.B. durch eine Klebeverbindung.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Schutzelement 46 in einer entsprechende Aufnahme (Sacklochbohrung) an der Stirnseite 47 des Ankerbolzens 26 befestigt ist, insbesondere durch eine Presspassung, indem das Schutzelement 46 in die Aufnahme des Ankerbolzens 26 eingepresst ist. Alternativ ist es auch möglich, dass der gesamte Ankerbolzen 46 aus einem kavitationsunempfindlichen Material, vorzugsweise aus Keramik, besteht.
Bei dem in der 1 dargestellten Schaltventil 10 ist das Schutzelement 46 axial von der Bohrungsmündung 48 der Durchgangsbohrung 20 beabstandet. Bei dem in der 2 dargestellten, modifizierten Schaltventils 10a ragt der Ankerbolzen 26a mit seiner Stirnseite in den zweiten Bohrungsabschnitt 23a der Durchgangsbohrung 20 axial hinein bzw. taucht in den zweiten Bohrungsabschnitt 23a ein. Hierzu ist das Ende 49 des Ankerbolzens 26a im Durchmesser verringert ausgebildet. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass zumindest die der Durchgangsbohrung 20 zugewandte Stirnseite 51 des Endes 49 des Ankerbolzens 26a mit einer Kavitationsschutzeinrichtung 45 ausgestattet ist, z.B. durch ein plattenförmiges Schutzelement 46a.
Die soweit beschriebenen Schaltventile 10, 10a können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es beispielsweise denkbar, die Kavitationsschutzeinrichtung 45 alternativ in Form einer vorzugsweise keramischen Beschichtung am Ankerbolten 26, 26a auszubilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010028844 A1 [0002]

Claims

Schaltventil (10; 10a) zur Steuerung eines Kraftstoffinjektors (1), insbesondere eines Kraftstoffinjektors (1) in einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem Ventilstück (12), einem hubbeweglichen Ventilschließelement (30), das in einer Schließstellung an dem Ventilstück (12) einen Dichtsitz (35) ausbildet, wobei das Ventilschließelement (30) an Umfang eines stiftförmigen Führungselements (25) geführt ist, wobei im Ventilstück (12) eine Durchgangsbohrung (20) ausgebildet ist, die bei vom Dichtsitz (35) abgehobenem Ventilschließelement (30) eine hydraulische Verbindung zwischen einem Niederdruckbereich (36) und einem unter Hochdruck stehenden Steuerraum (16) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der der Durchgangsbohrung (20) zugewandte Endbereich des Führungselements (25) mit einer Kaviaitonsschutzeinrichtung (45) ausgestattet ist.
Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitationsschutzeinrichtung (45) durch Ausbildung zumindest des Endabschnitts des Führungselements (25) aus einem kaviatationsunempfindlichen Material erfolgt.
Schaltventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Keramik ist.
Schaltventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitationsschutzeinrichtung (45) ein aus dem kaviatationsunempfindlichen Material bestehendes Schutzelement (46) umfasst, das mit dem Endbereich des Führungselements (25) verbunden ist.
Schaltventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung als eine Klebeverbindung und/oder eine Pressverbindung ausgebildet ist.
Schaltventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Führungselement (25) aus Keramik besteht.
Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das der Durchgangsbohrung (20) zugewandte Ende (49) des Führungselements (25) in den zweiten Bohrungsabschnitt (23a) der Durchgangsbohrung (20) eintaucht.
Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließelement (30) als Magnetanker (28) ausgebildet ist, und dass das Führungselement (25) ein Ankerbolzen (26; 26a) ist.
Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es als ein im Wesentlichen druckausgeglichenes Ventil mit einem Magnetaktor (30) ausgebildet ist.
Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Durchgangsbohrung (20) in einem ersten Bohrungsabschnitt (21) eine Abströmdrossel (22) ausgebildet ist, und wobei sich an den ersten Bohrungsabschnitt (21) auf der dem Dichtsitz (35) zugewandten Seite ein zweiter Bohrungsabschnitt (23; 23a) anschließt.
Kraftstoffinjektor (1) mit einem Schaltventil (10; 10a) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Systemdruck im Kraftstoffinjektor (1) mehr als 1600 bar, vorzugsweise mehr als 2000 bar beträgt.