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Die Erfindung betrifft ein Schaltventil für einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor, mit einem solchen Schaltventil.
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Stand der Technik
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Ein Schaltventil der vorstehend genannten Art dient der Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel. In Abhängigkeit von der Schaltstellung des Schaltventils wird ein die Düsennadel belastender hydraulischer Druck in einem Steuerraum angehoben oder abgesenkt, so dass bei angehobenem Druck die Düsennadel in Schließrichtung von einer hydraulischen Schließkraft beaufschlagt und bei abgesenktem Druck entlastet wird. Bei einer Entlastung öffnet die Düsennadel, d. h. sie gibt mindestens eine Einspritzöffnung frei, über welche dann die Einspritzung erfolgt.
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Aus dem Stand der Technik sind Kraftstoffinjektoren mit druckausgeglichen Steuer- bzw. Schaltventilen bekannt, deren Auslegung unabhängig vom jeweiligen System- bzw. Raildruck erfolgen kann. Auf diese Weise können hohe Drücke realisiert werden. Als nachteilig erweist sich jedoch, dass derartige Ventile besonders verschleißanfällig sind.
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Darüber hinaus sind nicht druckausgeglichene Schaltventile, insbesondere Kugelventile, bekannt, die besonders robust sind, jedoch zur Sicherstellung der Dichtheit eine in Schließrichtung wirkende Überschusskraft benötigen. Aufgrund dieser Überschusskraft werden vergleichsweise hohe Magnetkräfte benötigt, um das Schaltventil entgegen dieser Kraft zu öffnen. Dieses Problem verstärkt sich, wenn zudem hohe Drücke des einzuspritzenden Mediums gefordert und/oder große Ventilquerschnitte bereitzustellen sind. Der Magnetkreis muss in diesem Fall für hohe Kräfte und/oder Hübe ausgelegt werden, was zu großen Abmessungen führt, die bei den im Kraftstoffinjektor vorhandenen beengten Bauraumverhältnissen schwer umsetzbar sind. Ein solches Ventil mit großem Magnetkreis kann zudem nur relativ langsam Schalten, welches für die präzise Kraftstoffdosierung von Nachteil ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 039 191 A1 ist ein Kraftstoffinjektor mit einem Steuer- bzw. Schaltventil bekannt, das ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes kugelförmiges Schließglied und einen Magnetanker umfasst, der das Schließglied bei unbestromter Magnetspule gegen den Ventilsitz drückt. Um hohe System- bzw. Raildrücke bei zugleich geringem Verschleiß verwirklichen zu können, wird eine zusätzliche hydraulische Schließkraft vorgeschlagen, die über den Magnetanker auf das kugelförmige Schließglied aufgebracht wird. Am Magnetanker ist hierzu eine Druckfläche ausgebildet, die mit Systemdruck bzw. Hochdruck beaufschlagbar ist. Die zusätzliche hydraulische Schließkraft wirkt einer auf das kugelförmige Schließglied wirkenden hydraulischen Öffnungskraft entgegen, so dass ein in Schließstellung druckausgeglichenes Kugelventil geschaffen wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltventil der vorstehend beschriebenen Art derart weiterzubilden, dass das Schaltverhalten optimiert wird.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Schaltventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor, insbesondere ein Common-Rail-Kraftstoffinjektor, mit einem solchen Schaltventil angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Schaltventil umfasst eine Magnetbaugruppe zur Einwirkung auf eine Ankerbaugruppe. Die Ankerbaugruppe weist einen Ankerbolzen auf, über den eine in Richtung eines Ventilsitzes wirkende Federkraft einer Druckfeder auf ein kugelförmiges Schließglied übertragbar ist, um das Schaltventil unbestromt geschlossen zu halten. Am Schließglied liegt dabei ein hydraulischer Druck an, der eine hydraulische Öffnungskraft bewirkt. Der hydraulischen Öffnungskraft wiederum wirkt eine hydraulische Schließkraft entgegen, die über eine am Ankerbolzen ausgebildete Druckfläche realisiert wird. Erfindungsgemäß liegt am Schließglied und an der Druckfläche der gleiche hydraulische Druck an, wobei der Druck in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Schaltventils variiert. Denn öffnet das Schaltventil nimmt der Druck vor dem Ventilsitz aufgrund der über den Ventilsitz abströmenden Menge ab. Somit verringert sich die hydraulische Öffnungskraft, die auf das kugelförmige Schließglied wirkt. Gleiches gilt für die hydraulische Schließkraft, die auf den Ankerbolzen wirkt.
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In Abhängigkeit vom Flächenverhältnis der am Schließglied und am Ankerbolzen ausgebildeten hydraulisch wirksamen Flächen kann auf diese Weise ein Druckausgleich erzielt werden, der sich nicht nur bei geschlossenem Schaltventil einstellt, sondern auch bei geöffnetem Schaltventil erhalten bleibt. Der am Ankerbolzen ausgebildeten Druckfläche als hydraulisch wirksame Fläche steht dabei eine am kugelförmigen Schließglied ausgebildete Druckfläche gegenüber, die durch den Sitzdurchmesser vorgegeben ist. Zur Erzielung eines Druckausgleichs sind die Flächen gleich groß zu wählen.
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Alternativ kann das Flächenverhältnis aber auch derart gewählt werden, dass eine zusätzliche Schließkraft zur Erhöhung der Dichtigkeit oder eine zusätzliche Öffnungskraft erzielt wird. Die zusätzliche Öffnungskraft kann ein passives Öffnen des Schaltventils bei zu hohem Druck, beispielsweise im Fehlerfall, bewirken.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ankerbolzen in einer Führungsbohrung eines Ventilstücks aufgenommen. Der Ankerbolzen ist somit über das Ventilstück hubbeweglich geführt. Weist der Ankerbolzen zur Ausbildung der Druckfläche unterschiedlich große Außendurchmesser auf, kann die Führung des Ankerbolzens über den größeren und/oder den kleineren Außendurchmesser bewirkt werden. Im Ventilstück ist im Bereich der am Ankerbolzen ausgebildeten Druckfläche ein die Führungsbohrung erweiternder Ringraum ausgebildet, der mit einem ventilsitzseitigen Druckraum hydraulisch verbunden ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass am Schließglied und an der Druckfläche des Ankerbolzens der gleiche hydraulische Druck anliegt. Der ventilsitzseitige Druckraum ist vorzugsweise zwischen dem Ventilsitz und einer Ablaufdrossel angeordnet, so dass über das Schaltventil und die Ablaufdrossel der Abfluss aus einem Steuerraum eines Kraftstoffinjektors steuerbar ist.
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Weiterhin bevorzugt ist der Ringraum über mindestens eine im Ventilstück ausgebildete Verbindungsbohrung mit dem ventilsitzseitigen Druckraum hydraulisch verbunden. Zur Ausbildung der Verbindungsbohrung bzw. Verbindungsbohrungen ist vorzugsweise das Ventilstück mehrteilig ausgeführt. Die mehrteilige Ausführung erleichtert die Ausbildung der Verbindungsbohrung bzw. Verbindungsbohrungen. Zugleich kann die Ausbildung des Ventilsitzes für das kugelförmige Schließglied vereinfacht werden. Die mehreren Teile des Ventilstücks sind weiterhin vorzugsweise über stirnseitig ausgebildete Dichtflächen axial aneinander gesetzt und gegeneinander verspannt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Ankerbaugruppe eine Ankerplatte umfasst, die axial verschiebbar auf dem Ankerbolzen gelagert und gegenüber einem Anschlag, der am Ankerbolzen oder an einem mit dem Ankerbolzen verbundenen Anschlagelement ausgebildet ist, über die Federkraft einer weiteren Druckfeder axial vorgespannt ist.
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Der Anschlag bewirkt, dass die Ankerplatte den Ankerbolzen in der einen und der Ankerbolzen die Ankerplatte in der anderen Bewegungsrichtung mitführt. Wird eine Magnetspule der Magnetbaugruppe bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, dessen Magnetkraft die Ankerplatte in Richtung der Magnetbaugruppe zieht, um das Schaltventil zu öffnen. Die Ankerplatte liegt dabei am Anschlag an und führt den Ankerbolzen mit, so dass das kugelförmige Schließglied entlastet wird und zu öffnen vermag. Wird die Bestromung der Magnetspule beendet, stellt die erste Druckfeder, die hierzu bevorzugt am Ankerbolzen abgestützt ist, den Ankerbolzen in seine Ausgangslage zurück. Dabei führt der Ankerbolzen die Ankerplatte mit. Zugleich drückt der Ankerbolzen das kugelförmige Schließglied in den Ventilsitz zurück. Hat der Ankerbolzen seine Ausgangslage erreicht, löst sich die Ankerplatte vom Anschlag und setzt ihre Bewegung in Schließrichtung fort. Dies hat zur Folge, dass der auf das kugelförmige Schließglied wirkende Schließimpuls und damit der Verschleiß am Schließglied bzw. Ventilsitz verringert wird.
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Nach Vollendung des Freihubs der Ankerplatte gegenüber dem Ankerbolzen stellt die weitere Druckfeder die Ankerplatte gegen den Anschlag zurück.
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Die Rückstellung der Ankerplatte gegen den Anschlag hat entgegen der Federkraft der ersten Druckfeder zu erfolgen. Bevorzugt ist daher die Federkraft der weiteren Druckfeder der Federkraft der ersten Druckfeder bzw. der in Richtung des Ventilsitzes wirkenden Druckfeder entgegengesetzt. Die weitere Druckfeder ist hierzu bevorzugt an der Ankerplatte abgestützt.
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Sofern der Anschlag an einem mit dem Ankerbolzen verbundenen Anschlagelement ausgebildet ist, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass das Anschlagelement ring- oder scheibenförmig ausgebildet ist. Dieses lässt sich in einfacher Weise, insbesondere durch Aufstecken, Aufklemmen oder Aufpressen, mit dem Ankerbolzen verbinden. Vorzugsweise ist das Anschlagelement auf dem Ankerbolzen angeordnet, und zwar bevorzugt in der Weise, dass das Anschlagelement in radialer Richtung übersteht.
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Des Weiteren bevorzugt weist das Anschlagelement einen radial verlaufenden Schlitz zur Verbindung mit dem Ankerbolzen auf. Das Anschlagelement kann in diesem Fall seitlich auf den Ankerbolzen aufgesteckt, aufgeklemmt oder aufgepresst werden, so dass die Montage des Schaltventils vereinfacht wird. Der Schlitz kann dergestalt sein, dass das Anschlagelement in der Draufsicht eine Sichelform besitzt.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Ankerbolzen eine Ringnut zur Verbindung mit dem Anschlagelement aufweist. Die Ringnut ermöglicht einen in axialer Richtung wirksamen Formschluss zwischen dem Ankerbolzen und dem Anschlagelement, so dass die axiale Lage des Anschlagelements in Bezug auf den Ankerbolzen gesichert ist. Zur Realisierung des Formschlusses wird vorzugsweise das Anschlagelement seitlich auf den Ankerbolzen aufgesteckt, aufgeklemmt oder aufgepresst.
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Um die Lage des Anschlagelements in radialer Richtung zu sichern, weist vorzugsweise die Ankerplatte eine dem Anschlagelement zugewandte Stirnfläche auf, in der eine Vertiefung zur zumindest teilweisen Aufnahme des Anschlagelements ausgebildet ist. Denn auf diese Weise wird ein in radialer Richtung wirksamer Formschluss zwischen der Anschlagplatte und dem Anschlagelement erreicht.
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Darüber hinaus wird ein Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem erfindungsgemäßen Schaltventil zur Steuerung der Einspritzung vorgeschlagen. Denn das optimierte Schaltverhalten des Schaltventils ermöglicht eine präzise Steuerung des Einspritzvorgangs. Ferner kann über eine erhöhte Robustheit des Schaltventils gegenüber Verschleiß die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors gesteigert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Schaltventil, das in einen Kraftstoffinjektor eingesetzt ist, und
- 2 einen schematischen Querschnitt durch das Schaltventil der 1 im Bereich des Anschlagelements.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in den 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Schaltventil weist ein gegenüber einem Ventilsitz 4 bewegliches, kugelförmiges Schließglied 6 zur Verbindung eines ventilsitzseitigen Druckraums 21 mit einem Niederdruckraum 22 auf. Der Ventilsitz 4 ist kegelförmig ausgeführt und gemeinsam mit dem Niederdruckraum 2 in einem mehrteilig ausgeführten Ventilstück 16 ausgebildet. In Richtung des Ventilsitzes 4 bzw. in Schließrichtung wird das kugelförmige Schließglied 6 mittelbar über einen Ankerbolzen 3 einer Ankerbaugruppe 2 und ein Führungsstück 23 von der Federkraft einer Druckfeder 5 beaufschlagt. Die Federkraft der Druckfeder 5 hält das Schaltventil in stromlosem Zustand geschlossen. Zusätzlich wird über eine am Ankerbolzen 3 ausgebildete Druckfläche 7 eine hydraulische Schließkraft bewirkt, die der Kompensation einer hydraulischen Öffnungskraft dient, die innerhalb des Sitzdurchmessers auf das kugelförmige Schließglied 6 wirkt. Denn an der Druckfläche 7 des Ankerbolzens 3 und am kugelförmigen Schließglied 6 liegt der gleiche Druck an. Die Druckfläche 7 ist hierzu im Bereich eines Ringraums 18 angeordnet, welcher im Ventilstück 16 ausgebildet und über Verbindungsbohrungen 19, 20 mit dem Druckraum 21 verbunden ist. Der Ringraum 18 erweitert eine Führungsbohrung 17, über welche der Ankerbolzen 3 axial beweglich geführt ist. Auf diese Weise wird ein Kugelventil geschaffen, das druckausgeglichen ist. Das heißt, dass große Sitzdurchmesser und/oder große Drücke ohne Auswirkungen auf die Öffnungskraft realisiert werden können. Das Schaltventil kombiniert somit die Vorteile eines druckausgeglichenen Ventils mit denen eines Kugelventils, wobei zu den Vorteilen eines Kugelventils insbesondere eine erhöhte Robustheit zählt.
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Um die Robustheit des Kugelventils weiter zu steigern, weist da dargestellte Schaltventil eine Ankerbaugruppe 2 auf, die neben dem Ankerbolzen 3 eine Ankerplatte 8 umfasst. Die Ankerplatte 8 ist axial beweglich auf dem Ankerbolzen 3 gelagert. Die Bewegung der Ankerplatte 8 gegenüber dem Ankerbolzen 3 wird durch einen Anschlag 9 begrenzt, der vorliegend durch ein scheibenförmiges Anschlagelement 10 ausgebildet wird. Das Anschlagelement 10 ist in eine Ringnut 13 des Ankerbolzens 3 in der Weise eingesetzt ist, dass es zur Ausbildung des Anschlags 9 radial übersteht.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, weist das scheibenförmige Anschlagelement 10 einen radial verlaufenden Schlitz 12 auf, so dass es im Bereich der Ringnut 13 seitlich auf den Ankerbolzen 3 aufgeschoben werden kann. Über die Ringnut 13 wird dann ein in axialer Richtung wirksamer Formschluss zwischen dem Anschlagelement 10 und dem Ankerbolzen 3 bewirkt. Um die Lage des Anschlagelements 10 in radialer Richtung zu sichern, weist die Ankerplatte 8 auf ihrer dem Anschlagelement 10 zugewandten Stirnfläche 14 eine Vertiefung 15 auf, in welche das Anschlagelement 10 eingreift. Darüber hinaus weist die Ankerplatte 8 radial verlaufende Schlitze 25 auf, die als Durchströmöffnungen dienen.
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Die Ankerplatte 8 ist mittels einer Druckfeder 11 gegen den Anschlag 9 bzw. das Anschlagelement 10 axial vorgespannt, so dass im Ruhezustand die Ankerplatte 8 am Anschlag 9 anliegt. Beim Öffnen bewegen sich daher Ankerplatte 8 und Ankerbolzen 3 gemeinsam nach oben, bis ein oberer Hubanschlag erreicht ist, der vorliegend durch ein hülsenförmiges Bauteil 26 gebildet wird, das in eine zentrale Ausnehmung 27 einer Magnetbaugruppe 1 zur Betätigung des Schaltventils eingreift.
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Wird eine Magnetspule 28 der Magnetbaugruppe 1 bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, dessen Magnetkraft die Ankerplatte 8 einschließlich des Ankerbolzens 3 in Richtung des oberen Hubanschlags bewegt, um einen zwischen der Magnetbaugruppe 1 und der Ankerplatte 8 ausgebildeten Arbeitsluftspalt 24 zu schließen. Das kugelförmige Schließglied 6 wird auf diese Weise in Schließrichtung entlastet und öffnet, so dass eine Verbindung des Druckraums 21 mit dem Niederdruckraum 22 hergestellt ist. Da der Druckraum 21 über eine Ablaufdrossel 29 mit einem Steuerraum 30 verbunden ist, sinkt zugleich der Steuerdruck im Steuerraum 30. Dies hat zur Folge, dass eine den Steuerraum 30 begrenzende Düsennadel 31 entlastet wird, so dass diese von einem Sitz 32 abhebt. Auf diese Weise werden Einspritzöffnungen 33 freigegeben, über welche unter Hochdruck stehender Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzbar ist.
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Zum Schließen des Schaltventils wird die Bestromung der Magnetspule 28 beendet, so dass die Federkraft der Druckfeder 5 den Ankerbolzen 3 in seine Ausgangslage zurückstellt, wobei der Ankerbolzen 3 die am Anschlagelement 10 anliegende Ankerplatte 8 mitführt. Über die Bewegung des Ankerbolzens 3 wird das kugelförmige Schließglied 6 in den Ventilsitz 4 zurückgestellt und das Schaltventil schließt. Die Ankerplatte 8 löst sich vom Anschlag 9 und bewegt sich weiter in Richtung des Ventilsitzes 4, was zur Folge hat, dass auf das kugelförmige Schließglied 6 ein verringerter Schließimpuls wirkt. Das kugelförmige Schließglied 6 und der Ventilsitz 4 werden somit entlastet, wodurch der Verschließ in diesem Bereich gemindert wird. Entsprechend steigt die Robustheit des Schaltventils.
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Mit Schließen des Schaltventils wird erneut Druck im Steuerraum 30 aufgebaut. Denn über eine Zulaufdrossel 34 ist der Steuerraum 30 an einen Hochdruckkanal 35 angebunden. Das heißt, dass der Steuerdruck im Steuerraum 30 ansteigt und die Düsennadele 31 mit einer Schließkraft beaufschlagt, die gemeinsam mit der Federkraft einer Schließfeder 36 zur Rückstellung der Düsennadel 31 in den Sitz 32 führt. Die Einspritzung wird beendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010039191 A1 [0005]
