DE10326257A1

DE10326257A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10326257A1
Application number: DE2003126257
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-01-05

Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten beschrieben, mit einem Ventilkörper, in dem eine insbesondere piezoelektrische Aktuator-Einheit (11) zur Betätigung eines in dem Ventilkörper geführten Ventilglieds (12) angeordnet ist, wobei das Ventilglied (12) mindestens einen axial verschiebbaren Kolben (14) umfasst, der ein in einem Ventilraum (23) angeordnetes Ventilschließglied (15) betätigt, das mit einem ersten Ventilsitz (18) und einem zweiten Ventilsitz (19) zusammenwirkt. Das Ventilschließglied (15) liegt in einer ersten Endstellung des Kolbens (14) an dem ersten Ventilsitz (18) und in einer zweiten Endstellung des Kolbens (14) an dem zweiten Ventilsitz (19) an. Zur Minimierung einer Schwingungsneigung ist ein Zwischenhubanschlag (28) vorgesehen, der eine Mittelstellung des Ventilschließglieds (15) festlegt (Figur).

Description

Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.

Ein derartiges Ventil ist z. B. aus der DE 100 55 714 A1 bekannt und dient als Steuermodul eines Kraftstoffeinspritzventils einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine.

Ein solches Ventil kann insbesondere in Verbindung mit Common-Rail-Speichereinspritzsystemen für Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt werden. In diesem Fall dient das Ventil als Steuermodul für eine in einem Düsenmodul angeordnete Düsennadel, die mit Öffnungen bzw. Düsen zusammenwirkt, die zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine führen und über die Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Die Steuerung der Düsennadel erfolgt derart, dass mittels des Steuermoduls ein Fluiddruck gesteuert wird, der in einem sogenannten Ventilsteuerraum des Düsenmoduls herrscht. In Abhängigkeit von dem in dem Ventilsteuerraum herrschenden Fluiddruck kann die Lage der Düsennadel verändert und damit eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum ausgelöst werden.

Der Ventilsteuerraum ist einerseits über eine sogenannte Zulaufdrossel mit einer Kraftstoffzufuhrleitung und andererseits über eine sogenannte Ablaufdrossel mit dem Steuermodul verbunden. Das Steuermodul umfasst einen piezoelektrischen Aktuator, der auf ein Ventilglied wirkt, das in einem Ventilkörper geführt ist und einen mit dem Aktuator verbundenen Stellkolben umfasst, der über einen hydraulischen Koppler mit einem Betätigungskolben für ein Ventilschließglied in Wirkverbindung steht. Das Ventilschließglied wirkt mit einem ersten Ventilsitz und einem zweiten Ventilsitz zusammen, wobei eine Betätigung des Ventilschließglieds bei einer axialen Verschiebung des Betätigungskolbens erfolgt. Das Ventilschließglied liegt in einer ersten Endstellung des Betätigungskolbens an dem ersten Ventilsitz und in einer zweiten Endstellung des Betätigungskolbens an dem zweiten Ventilsitz an. In beiden Endstellungen des Betätigungskolbens sperrt das Ventilschließglied einen Kraftstofffluss von dem Ventilsteuerraum des Düsenmoduls durch die Ablaufdrossel zu einem in dem Düsenmodul ausgebildeten Rücklaufkanal. In einer zwischen den beiden Endstellungen liegenden Stellung des Ventilschließglieds erfolgt ein Druckabbau in dem Ventilsteuerraum, was zu einer axialen Verschiebung der Düsennadel und einer Freigabe der zu dem Brennraum der Brennkraftmaschine führenden Öffnungen führt, so dass Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. In dieser Zwischen- bzw. Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen neigt das Ventilschließglied zu starken Schwingungen, was nachteilhafterweise zu Schwingungen bei der in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge führt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem Ventil ein Zwischenhubanschlag vorgesehen ist, der eine Mittelstellung des Ventilschließglieds festlegt, hat den Vorteil, dass durch den Zwischenhubanschlag etwaig in der Mittelstellung des Ventilschließglieds auftretende Schwingungen des Ventilschließglieds gedämpft werden können.

Das Ventil gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz bei einem Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, und zwar als Steuermodul für ein Düsenmodul mit einer Düsennadel, so dass Schwingungen bei der durch das Kraftstoffeinspritzventil in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge minimiert sind.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Ventils nach der Erfindung wirkt der Zwischenhubanschlag mit dem Kolben zusammen. In der Mittelstellung des Ventilschließglied liegt der Kolben also an dem Zwischenhubanschlag an. Bei einem Ventil mit einer piezoelektrischen Aktuator-Einheit und einem Kopplermodul, das aus einem mit der Aktuator-Einheit verbundenen Stellkolben und einem mit diesem über einen hydraulischen Übersetzer verbundenen Betätigungskolben besteht, ist der mit dem Zwischenhubanschlag zusammenwirkende Kolben der Betätigungskolben, welcher mit dem Ventilschließglied verbunden ist.

Damit der Kolben bzw. das Ventilschließglied seinen gesamten Hub ausnützen kann, d. h. zwischen dem ersten Ventilsitz und dem zweiten Ventilsitz frei beweglich ist, ist der Zwischenhubanschlag bei einer zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils verschiebbar gelagert und mittels einer Feder vorgespannt. Die Feder wirkt dann der Kraft entgegen, die von der Aktuator-Einheit auf den Kolben ausgeübt wird.

Damit die Feder und damit der Zwischenhubanschlag sicher in dem Ventilkörper fixiert ist, ist es bei einer zweckmäßigen Ausführungsform vorgesehen, dass die Feder in einer Ringnut des Ventilkörpers gelagert ist.

Das Ventil nach der Erfindung kann entweder als sogenanntes 2/3-Ventil, d. h. mit zwei ab- bzw. zuführenden Leitungen und drei Schaltstellungen, oder auch als 3/3-Ventil, d. h. mit drei zu- bzw. abführenden Leitungen und drei Schaltstellungen, ausgeführt sein. In letzterem Fall weist das Ventil bei Einsatz bei einem Kraftstoffeinspritzventil als zuführende Leitungen einen mit einer Ablaufdrossel ausgestatteten Ablaufkanal, der von einem zur Steuerung einer Düsennadel dienenden Ventilsteuerraum abzweigt, und einen Bypass-Kanal auf, der ebenfalls mit einer Drossel versehen sein kann und von einer Kraftstoffzufuhrleitung abzweigt, über die Kraftstoff in das Einspritzventil und zu Einspritzdüsen des Einspritzventils geführt wird. Als abführende Leitung ist ein Rücklaufkanal vorgesehen, der zu einem Kraftstoffvorratstank führt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des Ventils nach der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt als Prinzipskizze einen Ausschnitt eines Kraftstoffeinspritzventils mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Steuermodul.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Einspritzventil 1, das insbesondere Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems ist und zur Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum einer Dieselbrennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges dient. Das Einspritzventil 1 umfasst hierzu als wesentliche Baueinheiten ein Düsenmodul 2 und ein ventilartig ausgebildetes Ventilsteuermodul 3.
Das Düsenmodul 2 umfasst einen in einem Düsenkörper angeordneten und geführten Ventilsteuerkolben 4, der mit einer hier nicht dargestellten Düsennadel in Wirkverbindung steht bzw. mit dieser eine Baueinheit bildet. Die Düsennadel steuert Öffnungen bzw. Einspritzdüsen des Kraftstoffeinspritzventils 1, die zu dem Brennraum der Brennkraftmaschine führen.
Der Ventilsteuerkolben 4 taucht mit seinem der Düsennadel abgewandten Ende in einen sogenannten Ventilsteuerraum 5 ein, der mit Kraftstoff beaufschlagt ist. Über das in dem Ventilsteuerraum 5 herrschende Druckniveau kann die Lage des Ventilsteuerkolbens 4 und damit diejenige der Düsennadel eingestellt werden. Der Ventilsteuerraum 5 steht hierzu über einen Zulaufkanal 6, der mit einer sogenannten Zulaufdrossel 7 versehen ist, mit einer Kraftstoffzufuhrleitung 8 in Verbindung, über welche zur Einspritzung vorgesehener Kraftstoff in das Kraftstoffeinspritzventil 1 bzw. zu den Einspritzdüsen geführt wird, die zu dem Brennraum der Brennkraftmaschine führen. Des Weiteren steht der Ventilsteuerraum 5 über einen Ablaufkanal 9, der mit einer sogenannten Ablaufdrossel 10 versehen ist, mit dem Ventilsteuermodul 3 in Verbindung. Die Ablaufdrossel 10 hat einen größeren Durchmesser als die Zulaufdrossel 7.
Die Kraftstoffzufuhrleitung 8 ist mit einem hier nicht näher dargestellten, für mehrere Einspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicher, einer sogenannten Common-Rail, verbun den. Der in der Kraftstoffzufuhrleitung 8 geführte Kraftstoff kann somit unter einem Druck von bis zu 1,5 kbar stehen.
Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdauer und einer Einspritzmenge umfasst das Einspritzventil 1 das Ventilsteuermodul 3, das eine hier schematisch angedeutete, als piezoelektrischer Aktor ausgebildete Aktuator-Einheit 11 aufweist, die auf ein Ventilglied 12 wirkt, das in einem Ventilkörper des Ventilsteuermoduls 3 geführt ist und einen ersten, als Stellkolben bezeichneten Kolben 13 und einen zweiten, als Betätigungskolben bezeichneten Kolben 14 aufweist, der zur Betätigung eines Ventilschließglieds 15 dient.
Die Betätigung des Betätigungskolbens 14 selbst erfolgt über einen hydraulischen Koppler 16, der als Hydraulikkammer ausgebildet ist und eine axiale Auslenkung des mittels des piezoelektrischen Aktors 11 verfahrenen Stellkolbens 13 auf den Betätigungskolben 14 überträgt. Die hydraulische Übersetzung bewirkt, dass der Betätigungskolben 14 einen um das Übersetzungsverhältnis der Kolbendurchmesser vergrößerten Hub macht, wenn der Stellkolben 13, der hier einen größeren Durchmesser als der Betätigungskolben 14 aufweist, mittels des piezoelektrischen Aktors 11 eine bestimmte Wegstrecke verfahren wird.
Das Ventilschließglied 15, das in einem Ventilraum 17 angeordnet ist, ist bei der gezeigten Ausführung pilzförmig ausgebildet und wirkt mit einem ersten, als Kegelsitz ausgebildeten Ventilsitz 18 und einem zweiten, als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz 19 zusammen. Die Wegstrecke, die das Ventilschließglied 15 zwischen dem ersten Ventilsitz 18 und dem zweiten Ventilsitz 19 verfahren werden kann, stellt den Gesamthub H_ges des Ventilschließglieds 15 bzw. des Betätigungskolbens 14 dar.
Das Ventilschließglied 15 ist mittels einer zweckmäßigerweise schiefstandsoptimiert ausgeführten Spiralfeder 20, die sich an einer Wandung des Ventilraums 17 abstützt, in Richtung des ersten Ventilsitzes 18 vorgespannt, so dass das Ventilschließglied 15 bei unbetätigtem piezoelektrischem Aktor 11 mit seiner Kugelfläche an dem ersten Ventilsitz 18 anliegt und mithin in Sperrstellung ist.
Der Ventilraum 17 ist des Weiteren über einen Bypass-Kanal 21, der mit einer weiteren Drossel 22 versehen ist, mit der Kraftstoffzufuhrleitung 8 verbunden.
Stromab des ersten Ventilsitzes 18 ist in dem Ventilkörper des Ventilsteuermoduls 3 ein Rücklaufraum 23 ausgebildet, von dem ein Rücklaufkanal 24 abzweigt, der zu einem hier nicht näher dargestellten Kraftstoffvorratsbehälter führt. In dem Rücklaufraum 23, der an den Betätigungskolben 14 grenzt bzw. diesen radial umschließt, ist eine Rückstoßfeder 25 angeordnet, die den Betätigungskolben 14 in der dem Ventilschließglied 15 abgewandten Richtung vorspannt.
Der Rücklaufraum 23 ist des Weiteren mit einer axialen Ringnut 26 ausgebildet, an deren Boden sich eine weitere Spiralfeder 27 abstützt, welche auf einen als Ring ausgeführten, sogenannten Zwischenhubanschlag 28 wirkt, der in der in der Zeichnung dargestellten Stellung an einem Absatz 29 des Ventilkörpers anliegt und der in axialer Richtung des Betätigungskolbens 14 verschiebbar gelagert ist. Der Zwischenhubanschlag 28 ist so ausgebildet, dass er in seiner Ruhelage einen Hub H_m des Betätigungskolbens festlegt.
Der Hub H_m stellt eine Mittelstellung des Betätigungskolbens 14 und damit eine Mittelstellung des Ventilschließglieds 14 dar, in welcher Kraftstoff aus dem Ventilsteuerraum 5 durch den Ablaufkanal 9 und den Ventilraum 17 in den Rücklaufraum 23 und von dort in den Rücklaufkanal 24 strömen kann, so dass der Ventilsteuerraum 5 eine Druckentlastung erfährt und der Ventilsteuerkolben 4 zur Freigabe der Einspritzdüsen durch die Düsennadel in Richtung des Ventilsteuermoduls 3 verfahren wird.
Durch den Zwischenhubanschlag 28, an dem der Betätigungskolben 14 in der Mittelstellung anliegt, wird die Schwingungsneigung des Einspritzventils 1 in dieser Stellung minimiert.
Bei Ansteuerung des Einspritzventils 1 schlägt der Betätigungskolben 14 an dem Zwischenhubanschlag 28 an. Um das Ventilschließglied 15 auf den zweiten Ventilsitz 19 zu verfahren, wird der Zwischenhubanschlag 28 durch den Betätigungskolben 14 gegen die Kraft der Feder 27 in Richtung der Ringnut 26 verschoben. Von dem zweiten Ventilsitz 19 kann das Ventilschließglied 15 dann wieder direkt auf den ersten Ventilsitz 18 oder aber auch nur bis zu der die Mittelstellung des Ventilschließglieds 15 definierenden, in der Zeichnung dargestellten Ausgangslage des Zwischenhubanschlags 28 zurückgefahren werden.
Mit dem in der Zeichnung dargestellten Aufbau ist eine präzise Funktionsweise des hier als sogenanntes 3/3-Ventil ausgeführten Ventilsteuermoduls 3 in der Mittelstellung möglich. Das Einspritzventil 1 kann so bei einem Common-Rail-Einspritzsystem eingesetzt werden, ohne dass es eine Schwingungsneigung hat, welche die sogenannte Flugzeit des Einspritzventils und die Qualität des Einspritzvorgangs beeinträchtigen würde.

Claims

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einem Ventilkörper, in dem eine insbesondere piezoelektrische Aktuator-Einheit (11) zur Betätigung eines in dem Ventilkörper geführten Ventilglieds (12) angeordnet ist, das mindestens einen axial verschiebbaren Kolben (14) umfasst, der ein in einem Ventilraum (23) angeordnetes Ventilschließglied (15) betätigt, das mit einem ersten Ventilsitz (18) und einem zweiten Ventilsitz (19) zusammenwirkt, wobei das Ventilschließglied (15) in einer ersten Endstellung des Kolbens (14) an dem ersten Ventilsitz (18) und in einer zweiten Endstellung des Kolbens (14) an dem zweiten Ventilsitz (19) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenhubanschlag (28) vorgesehen ist, der eine Mittelstellung des Ventilschließglieds (15) festlegt.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenhubanschlag (28) mit dem Kolben (14) zusammenwirkt.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenhubanschlag (28) verschiebbar gelagert und mittels einer Feder (27) vorgespannt ist.
Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (27) in einer Ringnut (26) des Ventilkörpers gelagert ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass-Kanal (21) in den Ventilraum mündet.