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Die Erfindung geht aus von einem
Kraftstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 und dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2. Während der Oberbegriff des Patentanspruchs
2 das Merkmal enthält,
dass der Kraftstoff auf dem Weg zu der Einspritzöffnung beziehungsweise mehreren
Einspritzöffnungen
im Kraftstoffeinspritzventil auf einem erheblichen Teil der Länge des
Ventilkolbens am Ventilkolben entlang strömt, wobei daher eine parallel
zum Ventilkolben verlaufende separate Hochdruckbohrung nicht vorhanden
ist und der Ventilkolben in seinem oberen Endbereich in abgedichteter
Weise geführt
ist, enthält
der Oberbegriff des Anspruchs 1 diese Einschränkungen nicht. Im Oberbegriff
des Anspruchs 2 ist auch noch angegeben, welche heute allgemein
verwendeten Antriebe für
das Steuerventil in Betracht gezogen werden. Eine Vorrichtung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 2 mit einem Steuerventil mit Piezoaktorbetätigung ist
aus
DE10023952A1 bekannt.
Die obere Endfläche
des Ventilkolbens bildet dabei eine Begrenzung der Steuerkammer.
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In der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung sind zwei übliche
Antriebe für das
Steuerventil besprochen, und die Kraftstoffzuführung im wesentlichen längs des
Ventilkolbens einerseits und mittels einer separaten Hochdruckbohrung andererseits
wird besprochen.
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Wird im Betrieb bei geschlossenem
Einspritzventil der Druck in der Steuerkammer durch Öffnen des
Steuerventils abgesenkt, so wird das Ventil durch einen relativ
großen Überdruck
im Bereich der Einspritzöffnungen
und gegebenenfalls im Bereich einer separaten Ringkammer, zu der
der Kraftstoff durch eine separate Hochdruckbohrung geführt wird, geöffnet. Um
das Kraftstoffeinspritzventil, nachfolgend kurz Einspritzventil
genannt, wieder zu schließen,
wird der Druck in der Steuerkammer durch Schließen des Steuerventils wieder
erhöht.
Zum Schließen
des Ventilkolbens ist ein Kraftüberschuss in
Schließrichtung
gegenüber
der in Öffnungsrichtung
wirkenden Kraft erforderlich. Diese Kraft mag durch eine auf den
Ventilkolben wirkende Schließfeder
bereitgestellt sein. Auch mag die mit der Steuerkammer in Verbindung
stehende Kolbenfläche
des Ventilkolbens etwas größer sein
als eine „Wirkfläche", auf die der Druck
des Kraftstoffs in Öffnungsrichtung
wirkt. Bei einem Einspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs
2 mag ein Überschuss der
Kraft in Schließrichtung
auch dadurch begünstigt sein,
dass beim Strömen
des Kraftstoffs entlang verhältnismäßig langer
Führungsflächen des
Ventilkolbens, mit denen dieser in der den Ventilkolben aufnehmenden
Bohrung des Einspritzventils geführt
ist, ein Druckabfall entsteht, der die Vergrößerung eines Druckunterschieds
und somit die Vergrößerung der Schließkraft begünstigt.
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Es wäre wünschenswert, durch weitere
Maßnahmen
eine Erhöhung
der Schließkraft
im Vergleich zu den bekannten Anordnungen zu erreichen.
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Vorteile der
Erfindung
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Einspritzventils
nach Anspruch 1 und Anspruch 2 besteht darin, dass durch die im
Vergleich zu dem den Einspritzöffnungen
abgewandten Ende des Ventilkolbens vergrößerte (möglicherweise erheblich vergrößerte) Kolbenfläche des
Hilfskolbens, die dem Druck der Steuerkammer ausgesetzt ist, auf
den Hilfskolben eine größere Kraft
in Schließrichtung
ausgeübt wird,
als bei Fehlen des Hilfskolbens auf den Ventilkolben ausgeübt würde, wobei
der Hilfskolben diese größere Kraft
auf den Ventilkolben durch mechanische Kopplung überträgt. Aus hydraulischen Gründen ist
es offensichtlich, dass für
die vom Hilfskolben ausgeübte
Kraft es lediglich auf den Querschnitt des Führungsabschnitts, der als wirksame
Kolbenfläche dient,
ankommt. Da der Hilfskolben ein separates Teil ist, lässt sich
die gesamte Anordnung einfach herstellen und montieren. Die dichtende
Führung
des Ventilkolbens ist dazu vorgesehen, das Einströmen von Kraftstoff
entlang dem Ventilkolben nach oben in den Bereich der oberen Kolbenfläche zu verhindern;
daher ist eine abdichtende Ausbildung der Führung nicht zwingend nötig, wenn
eine separate Hochdruckbohrung den Kraftstoff im seitlichen Abstand vom
Ventilkolben nach unten in die Nähe
der Einspritzöffnung
führt.
Die dichtende Führung
des Hilfskolbens ist dazu vorgesehen, das Fließen von Kraftstoff aus der
Steuerkammer in denjenigen Bereich des Hilfskolbens zu verhindern,
der mit dem Ventilkolben in Kontakt kommt. Wenn sich nämlich der
Raum zwischen dem Ventilkolben und dem Hilfskolben mit Kraftstoff
füllt,
so kann dies dann, wenn dort lediglich eine kraftschlüssige Kopplung
(also Berührung)
ohne gleichzeitige formschlüssige
Kopplung durch irgendwelche zugfeste Kopplungsmittel vorhanden ist,
dazu führen,
dass der mechanische Kontakt zwischen dem Hilfskolben und dem Ventilkolben
verloren geht, und dadurch eine zuverlässige Steuerung der des Öffnens und
Schließens
der Einspritzöffnungen
nicht mehr gewährleistet
ist. Eine kraftschlüssige
Kopplung ist besonders einfach herzustellen.
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Die genannte dichtende Führung wird
in zuverlässiger
Weise dadurch erreicht, dass der Ventilkolben in dem ihm zugeordneten
Bereich des Führungsteils
mit enger Passung eingeschliffen wird, und dass auch der Hilfskolben
mit seinem Führungsabschnitt
in dem ihm zugeordneten Führungsstück mit enger
Passung (Gleitpassung) eingeschliffen wird. Dabei müssen die
beiden hierbei gebildeten genau geschliffenen Zylinderbohrungen
nicht exakt fluchten und ihre Achsen müssen nicht genau parallel zueinander
oder in einer Geraden hintereinander angeordnet sein. Diese genannten
nicht zu erfüllenden
Forderungen müssten
aber dann erfüllt
werden, wenn man den Ventilkolben an seinem Ende mit einem einstückig angeordneten
breiteren Kolbenstück,
das die Funktion des Hilfskolbens übernimmt, versehen wollte.
Dadurch wäre
eine rationelle Fertigung erschwert.
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Die Querschnittsfläche des
Führungsabschnitts
des Hilfskolbens kann vorteilhaft größer sein als die oben genannte
Wirkfläche.
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Bei der Ausführungsform nach Anspruch 5 besteht
der Vorteil darin, dass selbst dann, wenn Kraftstoff in den Bereich
zwischen dem Ventilkolben und dem Hilfskolben gelangt, sich in dem
Raum zwischen den beiden Kolben ein hoher Kraftstoffdruck, der Störungen der
Funktion verursachen könnte, nicht
aufbauen kann.
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Bei der Ausführung mit einem im wesentlichen
entlang dem Ventilkolben führenden
Weg für den
Kraftstoff zur Einspritzöffnung,
also ohne parallel zum Ventilkolben verlaufende separate Hochdruckbohrung
für den
Treibstoff, erlaubt es die Erfindung, ohne Beeinträchtigung
der Funktionssicherheit des Einspritzventils den Strömungswiderstand
entlang dem Ventilkolben kleiner zu machen als beim Stand der Technik,
weil der erforderliche Kraftüberschuss
in Schließrichtung
dennoch durch den Hilfskolben bereitgestellt werden kann. Bei dieser
Ausführungsform ist
die Abdichtung des oberen Endes des Ventilkolbens zu dem Hilfskolben
hin besonders wichtig, weil der Bereich des Ventilkolbens am Eingang
in das Führungsstück unter
dem hohen Druck des von einem Druckspeicher mit etwa beispielsweise
1600 bar zugeführten
Kraftstoffs steht und daher durch gute Abdichtung ein Eindringen
von Kraftstoff in den genannten Bereich bestmöglich verhindert werden muss
und gegebenenfalls durch die geschilderte Verbindung mit einem Niederdruckbereich
unschädlich gemacht
werden kann.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung
und den Ansprüchen
entnehmbar.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Einspritzventils
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachführenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzventils, mit Führung des
Kraftstoffs im wesentlichen längs
des Ventilkolbens und mit elektromagnetisch betätigtem Steuerventil, in seinem
unteren Teil im Längsschnitt,
oben abgebrochen,
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2 eine
vergrößerte Schnittdarstellung des
oberen Bereichs des Ventils der 1,
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3 eine
der 2 ähnliche
Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung mit Einzelheiten über
eine abweichende Ausbildung der Führungsstücke für das obere Ende des Ventilkolbens
und den Hilfskolben,
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4 in
einer der 3 ähnlichen
Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit separater, parallel zum Ventilkolben verlaufender Hochdruckbohrung
für den
Treibstoff und mit Piezoaktorbetätigung
des Steuerventils.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 weist
ein Kraftstoffeinspritzventil 1, das als Injektor für Dieselkraftstoff
ausgebildet ist und zur Versorgung mit Dieselkraftstoff aus einem
Druckspeicher unter hohem Druck von zum Beispiel 1600 bar vorgesehen
ist, ein im wesentlichen rotationssymmetrisches Gehäuse 2 auf,
das eine zentrale Bohrung 4 enthält, die über ihre Länge nicht überall den gleichen Durchmesser
aufweist sondern gestuft verläuft.
Ein in der Bohrung 4 angeordneter Ventilkolben 6 erstreckt
sich über
fast die gesamte Höhe
des in 1 schraffiert
gezeigten Teil des Gehäuses,
insbesondere ragt er mit einem unteren Ende bis zu Einspritzöffnungen 10 zum
Einspritzen von Dieseltreibstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors, und
ein oberer Endbereich 12 des Ventilkolbens 6 ist in
einem Führungsstück 14 geführt, was
anhand 2 noch genauer
erläutert
wird. Einzuspritzender Kraftstoff ist über einen Kraftstoffstutzen 20 zuzuführen und
gelangt von diesem über
einen Kanal 22 (2),
etwas oberhalb des Führungsstücks 14,
in den zentralen Bereich des Gehäuses 2,
wo er in einem Zwischenraum zwischen dem Ventilkolben 6 und
der Bohrung 4 nach unten gelangt und bei angehobenem Ventilkolben 6 durch
die Einspritzöffnungen 10 in
einen Motor eingespritzt wird. Im Augenblick der Einspritzung wirkt
der Druck im Bereich der Einspritzöffnungen auf den Querschnitt
(= wirksame Fläche)
des die Einspritzöffnungen
verschließenden Teils
des Ventilkolbens 6. Aus diesem Druck resultiert somit
eine Kraft in Öffnungsrichtung,
die bestrebt ist, das Ventil offen zu halten. Die Querschnittsfläche des oberen
Endbereichs 12 des Ventilkolbens 6 unterscheidet
sich von der genannten wirksamen Fläche nur wenig. Daher würde, wenn
der obere Endbereich 12 unmittelbar dem Druck innerhalb
der bei der gezeigten Anordnung vorgesehenen Steuerkammer ausgesetzt
wäre, kein
in Schließrichtung
wirkender merklicher oder gar bedeutender Kraftüberschuss auftreten. Zum Schließen trägt eine
Schließfeder
bei.
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Der Ventilkolben 6 ist in
der Darstellung der 1 von
oben her bis zum oberen Ende eines Längenabschnitts 26 auf
seinem gesamten Umfang von Kraftstoff umspült. Im Längenabschnitt 26 liegt
der Ventilkolben 6 mit einer Gleitpassung an der Bohrung 4 an,
ist jedoch, um noch einen Durchgang für den Kraftstoff zu schaffen,
mit zwei im Beispiel parallel zueinander angeordneten Anschliffen
oder Abflachungen 27 versehen, die in der kleinen Querschnittsdarstellung
rechts neben dem Längenabschnitt 26 in 1 gezeigt sind. Unterhalb
des Längenabschnitts 26 strömt der Kraftstoff
zunächst
wieder am gesamten Umfang des Ventilkolbens 6 entlang,
bis zu einem Bereich 28 relativ kurzer Länge, der
im Querschnitt sternförmig
ist und nach außen
ragende rippenförmige
Vorsprünge
hat, die eine exakte Führung in
der Bohrung 4 bilden. Im untersten Endabschnitt 29 des Ventilkolbens 6 ist
dieser am gesamten Umfang von Kraftstoff umströmt.
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Es ist möglich, zum Verringern des Strömungswiderstands
anstatt der beiden in gegenseitigen Abstand vorgesehenen exakten
Führungen
im Längenabschnitt 26 und
im Bereich 28 eine dieser beiden Führungen wegzulassen, denn der
Ventilkolben wird zusätzlich
zu der dann verbleibenden Führung
auch in seinem oberen Endbereich geführt.
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2 zeigt
den oberen Teil der Anordnung der 1 vergrößert und
mit mehr Einzelheiten. Im Anschluss an das obere Ende der Bohrung 4 ist
das Gehäuse 2 zu
einer zylindrischen Kammer 40 erweitert, an die sich nach
oben hin eine abermals erweiterte zylindrische Kammer 42 anschließt. In die
kombinierte Kammer 40 und 42 ist eine durch eine Schraubverbindung 44 zusammengehaltene
Baueinheit eingesetzt, die folgende Teile aufweist: ein Ventilteil 46,
das in seinem unteren Bereich eine Bohrung 47 enthält, in der
im montierten Zustand ein Hilfskolben 48, der in die Bohrung 47 eingeschliffen
ist, angeordnet ist; und das mit dem Ventilteil 46 durch
die Schraubverbindung verbundene Führungsstück 14. Der obere Bereich
der Bohrung 47 bildet eine Steuerkammer 50, in
die Kraftstoff vom Kanal 22 her über eine Zulaufdrossel 52 eintritt.
Für den
Ventilkolben und den Hilfskolben ist daher ein gemeinsames Führungsstück vorhanden.
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Ein Magnetventil, im wesentlichen
gebildet durch eine Magnetspule 56, einen Anker 58,
eine bei dessen Bewegung freigegebene oder nach unten gedrückte Kugel 60 und
einen im Ventilteil 46 gebildeten Ventilsitz 62 für die Kugel öffnet in
herkömmlicher Weise
einen Auslass aus der Steuerkammer 50 zu einem mit einem
Leckageablauf des Kraftstoffeinspritzventils verbundenen Niederdruckbereich 64, wenn
eine Einspritzung erfolgen soll.
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Der Hilfskolben 48 weist
eine deutliche größere Querschnittsfläche auf
der obere Endbereich 12 des Ventilkolbens 6. Der
Hilfskolben 48 ist kraftschlüssig mit dem Ventilkolben 6 unter
Zwischenlage eines beidseitig balligen Zwischenstücks 70 in
Verbindung. Durch Auswahl eines Zwischenstücks 70 mit geeigneter
Dicke (in Längsrichtung
der Ventilanordnung gemessen) besteht bei der Montage eine Justiermöglichkeit.
Einen Raum 72, der sich an die ballige Unterseite des Hilfskolbens 48 anschließt und in
dem das Zwischenstück 70 angeordnet
ist, wobei dieser Raum durch das obere, ballige Ende des Ventilkolbens 6 nach
unten begrenzt wird, ist über
einen Kanal 76 mit dem Niederdruckbereich 64 in
Verbindung. Am unteren Ende des Ventilteils schließt sich das
Führungsstück 14 an,
das durch die Schraubverbindung 44 an das Ventilteil 47 dicht
angedrückt
wird. Das Führungsteil 14 bildet
eine Führung
für den
Endbereich 12 des Ventilkolbens 6, wobei dieser
Endbereich und die Bohrung des Führungsstücks zueinander
passend geschliffen sind. Die gesamte bisher beschriebene Baueinheit
bestehend im wesentlichen aus dem Ventilteil 40 und dem
Führungsteil 14 sind durch
eine Feder 78 nach oben gegen einen Anschlag gedrückt, wobei
sich das untere Ende der Feder 78 an einer Schulter des
Ventilkolbens 6 abstützt. Die
Feder 78 hat auch die Funktion der Schließfeder für den Ventilkolben 6.
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Für
eine sichere Funktion ist es weder erforderlich, dass der Hilfskolben 48 und
der obere Endbereich 12 ohne Seitenversatz sind, noch ist
es erforderlich, dass die die genannten Teile aufnehmenden Bohrungen
exakt in der gleichen Richtung verlaufen.
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Bei der Anordnung nach 3 ist bei dem hier mit dem
Bezugszeichen 1' bezeichneten
Kraftstoffeinspritzventil im wesentlichen die Schraubverbindung 44 der 2 ersetzt durch ein Aneinanderpressen
der beiden Teile durch eine weitere Druckfeder 80, die
sich an einer Schulter des Gehäuses 2 abstützt.
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Bei der Anordnung nach
4 führt bei dem hiermit dem Bezugszeichen
1'' bezeichneten Kraftstoffeinspritzventil
der hier mit
22' bezeichnete
Kanal, der vom Kraftstoffstutzen
20 (siehe
1) kommt, zu einem in Längsrichtung
des Gehäuses
verlaufenden Kanal
85, der im Abstand vom Ventilkolben
nach unten in die Nähe
der Einspritzöffnungen
führt und
dort in bekannter Weise in einen Ringraum übergeht, wo der Druck des Kraftstoffs
auf eine Kegelstumpffläche des
Ventilkolbens in Öffnungsrichtung
wirkt. Auch bei dieser Ausbildung der Kraftstoffzuführung kann
das Vorhandensein des Hilfskolbens
48 Vorteile bieten. Das
hier nicht sichtbare Steuerventil wird von einem angedeuteten Piezoaktor
88 unter
Zwischenschaltung eines angedeuteten hydraulischen Kopplers
90 betätigt, der
das bewegliche Ventilteil drückt,
um das Steuerventil zu sperren. Wegen Einzelheiten der Betätigung des
Steuerventils wird auf
DE10023952A1 ,
1, verwiesen, deren Offenbarung
durch diese Bezugnahme in die vorliegende technische Lehre aufgenommen
wird. Insbesondere ist ein bolzenförmiges Betätigungsteil für das Steuerventil
am unteren Ende des Kopplers befestigt.
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Bei anderen Ausführungsformen ist die beschriebene
Betätigung
durch Piezoaktor mit der Kraftstoff-Führung längs des Ventilkolbens gemäß 1 kombiniert. Wieder bei
anderen Ausführungsformen
ist die beschriebene Betätigung
durch Magnetventil mit der Kraftstoff-Führung im Abstand vom Ventilkolben
in einer separaten Hochdruckbohrung gemäß 4 kombiniert.
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Bei Ausführungsformen der Erfindung
ist der Ventilkolben in seinem oberen Endbereich etwas flexibel
zur leichteren Anpassung an eine Stellung des Führungsstücks, die nicht exakt mit der
Längsrichtung
des Ventilkolbens übereinstimmt.