DE19756669A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig­ keiten gemäß der Gattung des Patentanspruches 1. Durch die EP-A-0 477 400 ist ein solches Ventil bekannt. Dort ist der Betätigungskolben des Ventilglieds in einem im Durchmesser kleineren Teil einer Stufenbohrung dicht verschiebbar ange­ ordnet, wogegen ein im Durchmesser größerer Kolben, der mit dem Piezoaktor bewegt wird, in einem im Durchmesser größeren Teil der Stufenbohrung angeordnet ist. Zwischen beiden Kolben ist ein hydraulischer Raum eingespannt, derart, daß, wenn der größere Kolben durch den Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird, der Betätigungskolben des Ventil­ glieds um einen um das Übersetzungsverhältnis der Stufenboh­ rungsdurchmesser vergrößerten Weg bewegt wird. Das Ventil­ glied, der Betätigungskolben, der im Durchmesser größere Aktorkolben und der Piezoaktor liegen auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.

Bei solchen Ventilen ist der Druck im Kopplungsraum sehr hoch, so daß dieser radial ausdehnt und dann leicht eine Lekage eintritt. Eine Lekage hat zur Folge, daß der Kopp­ lungsraum nachgefüllt werden muß, um die beiden den Kopp­ lungsraum begrenzenden Kolben wieder auf ihren ursprüng­ lichen Abstand zu bringen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Steuerventil mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruches 1 hat dem gegenüber den Vorteil, daß die Lekage vermindert wird. Als weiterer Vorteil sind die Einfachheit und die Preiswürdigkeit der Lösung zu nennen. Schließlich läßt die Vielfalt der Lösungsmöglichkeiten des Vorschlags die Auswahl der für die verschiedenen Anwendungen jeweils günstigsten Varianten zu.

Zeichnung

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Kraftstoffeinspritz­ ventil im Schnitt, Fig. 2 einen als bewegliche Wand eines Kopplungsraumes arbeitender Kolben mit einer stirnseitigen Aufbohrung, Fig. 3 eine Kolbenanordnung an einem Kopplungs­ raum, Fig. 4 eine Kolbenanordnung an einem anderen Kopplungsraum, Fig. 5 eine anders geformte stirnseitige Ausnehmung, Fig. 6 einen Kolben mit einem aufgepreßten Ring, Fig. 7 eine andere Ringraumanordnung an einem Kolben und Fig. 8 eine andere Ringform.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das erfindungsgemäße Ventil findet Anwendung bei einem Kraftstoffeinspritzventil, das in wesentlichen Teilen im Schnitt in der Fig. 1 wiedergegeben ist. Dieses Einspritz­ ventil weist ein Ventilgehäuse 1 auf, in dem in einer Längs­ bohrung 2 eine Ventilnadel 3 geführt ist. An ihrem einen Ende ist die Ventilnadel mit einer kegelförmigen Dichtfläche 4 versehen, die an der in den Brennraum ragenden Spitze 5 des Ventilgehäuses mit einem Sitz 6 zusammenwirkt, von dem aus Einspritzöffnungen abführen, die in das Innere des Einspritzventils, hier den die Ventilnadel 3 umgebenden mit unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoffgefüllten Ringraum 7 mit dem Brennraum verbinden, um so eine Einspritzung zu vollziehen, wenn die Ventilnadel von ihrem Sitz abgehoben hat. Der Ringraum ist mit einem weiteren Druckraum 8 verbun­ den, der ständig in Verbindung mit einer Druckleitung 10 steht, über die den Kraftstoffeinspritzventil von einem Kraftstoffhochdruckspeicher 9 Kraftstoff unter Einspritz­ druck zugeführt wird. Diese hohe Kraftstoffdruck wirkt auch in dem Druckraum 8 und dort auf eine Druckschulter 11, über die in bekannter Weise die Düsennadel bei geeigneten Bedingungen von ihrem Ventilsitz abgehoben werden kann.

Am anderen Ende der Ventilnadel ist diese in einer Zylinder­ bohrung 12 geführt und schließt dort mit ihrer Stirnseite 14 einen Steuerdruckraum 15 ein, der über eine Drosselverbin­ dung 16 mit ständig mit einem Ringraum 17 verbunden ist, der wie auch der Druckraum 8 immer mit dem Kraftstoffhochdruck­ speicher in Verbindung steht. Axial führt vom Steuerdruck­ raum 15 eine Drosselbohrung 19 ab zu einem Ventilsitz 20 eines Steuerventils 21. Mit dem Ventilsitz 20 wirkt ein Ventilglied 22 des Steuerventils 21 zusammen, das im abgeho­ benen Zustand eine Verbindung zwischen dem Steuerdruckraum 15 und einem Entlastungsraum herstellt.

Das Ventilglied 22 wird durch eine Druckfeder 24 in Schließ­ richtung, also auf den Ventilsitz 20 hin beaufschlagt, so daß in Normalstellung des Steuerventils diese Verbindung des Steuerdruckraumes 15 verschlossen ist. Da die stirnseitige Fläche der Ventilnadel im Bereich des Steuerdruckraumes größer ist als die Fläche der Druckschulter 11, hält der selbe Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum, der auch in dem Druckraum 8 vorherrscht, nun die Ventilnadel in geschlosse­ ner Stellung. Ist das Ventilglied 22 jedoch abgehoben, so wird der Druck im Steuerdruckraum 15 entlastet aufgrund der drosselnden Wirkung der Drosselverbindung 16. Bei der nun fehlenden Schließkraft öffnet die Ventilnadel schnell und kann andererseits in Schließstellung gebracht werden, sobald das Ventilglied 22 wieder in Schließstellung kommt. Ab diesem Zeitpunkt baut sich dann schnell über die Drossel 16 der ursprüngliche hohe Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum 15 wieder auf.

Das erfindungsgemäße Steuerventil weist einen zu seiner Betätigung bestimmten Kolben 25 auf, der auf das Ventilglied 22 wirkt. Der Kolben 25 ist in einer Führungsbohrung 28 dicht geführt und begrenzt mit seiner Stirnfläche 29 einen Kopplungsraum 30, der auf seiner gegenüberliegenden Wand von einem Aktorkolben 31 größeren Durchmessers abgeschlossen ist, der Teil eines Piezoaktors 32 ist. Beide Kolben 25 und 31 sind in ihren Bohrungen dicht geführt. Der Kopplungsraum 30 dient aufgrund der unterschiedlichen Kolbenflächen der beiden Kolben 25 und 31 als Druckübersetzerraum, in dem er einen konstruktionsbedingten kleinen Hub des Piezoaktor­ kolbens 31 in einen größeren Hub des des Steuerventil 21 betätigenden Kolbens 25 übersetzt.

Bei der Druckübersetzung treten im Kopplungsraum 30 sehr hohe Drücke auf. Um es trotz dieser Belastung nicht zu einem unzulässig hohen Leckverlust entlang der Kolbenführung kommen zu lassen, sind der Kolben 25 und eventuell auch der Aktorkolben 31 an ihren Stirnflächen mit je einer Anpreß­ druckverstärkungseinrichtung 35 in Form einer Sackbohrung 33 bzw. 34 versehen.

Im Kopplungsraum 30 steht der Druck an. Aus der Druckdiffe­ renz der Kräfte von außen und von innen ergibt sich das Aufweitungsvermögen des Kolbens in Abhängigkeit von dem im Kopplungsraum 30 herrschenden Druck. In der Fig. 2 ist mittels Vektoren 36 dargestellt, wie bei einer Druckeinwir­ kung der Kraftverlauf vonstatten geht. Es ist zu erkennen, daß im Bereich der Stirnfläche 29 die Verformbarkeit des Kolbens und damit eine aus dieser Verformung resultierenden Aufweitung des Kolbens am größten ist. Aus der Aufweitung des Kolbens 25 ergibt sich eine dichtende Kraft, die nahe der Stirnfläche dort, wo die größten Dichtprobleme auf­ treten, am größten ist. Die durch den Druck aufgeweitete Mantelfläche des Kolbens 25 ist mit der Bezugszahl 37 versehen. Es ist zu erkennen, daß mit Hilfe der erfindungs­ gemäßen Anpreßdruckverstärkungseinrichtung 35 eine zuver­ lässige Lekageminderung erreicht ist.

Die Fig. 3 zeigt den Kopplungsraum 30 mit den beiden Kolben 25 und 31, die beide mit je einer Sackbohrung 33 bzw. 34 versehen sind. Die beiden Kolben 33 und 34 liegen auf der gleichen Achse 38. In der Fig. 4 ist dargestellt, daß die Achsen der beiden Kolben auch parallel versetzt sein können, um Bauhöhe zu sparen. Ein Kopplungsraum trägt hier die Bezugszahl 39.

Die Fig. 5 läßt erkennen, daß es auch möglich ist, statt einer zylindrischen Sackbohrung 33 bzw. 34 als Anpreßdruck­ verstärkungseinrichtung 40 eine konkave Ausfühlung 41 in die Stirnfläche 29 eines Kolbens 42 einzubringen.

Anders als bei den Bauarten nach den Fig. 2 bis 5 ist in der Fig. 6 eine Kolbenbauart dargestellt, bei der ein Kolben 43 an seinem Kolbenkopf 44 mit einem aufgepreßten, vorzugsweise aufgeschrumpften Ring 45 bestückt ist. Dieser Ring 45 hat eine stirnseitige Innenaussparung 46, die hohl­ zylindrisch ausgebildet ist, so daß ein Ringzylindrischer Rand 47 entsteht, der in der Art einer Ringdichtlippe verhältnismäßig leicht aufweitbar ist. Damit ist hier eine Anpreßdruckverstärkungseinrichtung 48 geschaffen.

Wird eine solcher Kolben 43 mit hydraulischem Druck belastet, wirkt dieser Druck auch in der Innenaussparung 46. Der Rand 47 wird aufgeweitet und drückt gegen die den Kolben führende Zylinderwand. Auch auf diese Weise ist dann mit der Anpreßdruckverstärkungseinrichtung eine zuverlässige Lekageminderung zu erreichen.

Nachdem in der Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, einen Ring 49 zu verwenden, dessen durch eine Aussparung 50 entstandener Rand innen liegt. Hier befindet sich die Aussparung 50 außen, und Druckmittel aus einem Kopplungsraum 53 gelangt durch eine konstruktionsmäßig vorgenommene Durchmesservergrößerung des Kopplungsraumes 53 in die Aussparung 50. Es ist zu sehen, daß auch auf diese Weise eine Erhöhung der Anpreßkraft und damit eine Lekage­ minderung zu erreichen ist.

Fig. 8 behandelt schließlich einen wie ein Kolbenring geschlitzten Ring 54, der außen zylindrisch ist und dessen Innenringfläche 55 einen von einem Kopplungsraum 56 nach hinten zunehmenden Querschnitt aufweist, also kegelig ausge­ bildet ist. Damit stellt hier die Innenringfläche 55 eine Anpreßdruckverstärkungseinrichtung 57 dar.

Bei Druckanstieg im Kopplungsraum 56 gelangt Druck in eine Kammer 58 und dort auf die Innenringfläche 55 des Ringes 54, so daß dieser sich aufweitet und sich dichtend an die Zylin­ derwand anlegt. Eine Lekage an einem Aktorkolben 59 ist auch mit einer derartigen Konstruktion vermindert.

Es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Anpreßdruck­ verstärkungseinrichtung 35, 40, 48, 52 und 57 mit einfachen Mitteln preiswert herstellbar ist und daß sie wegen ihrer vielfältigen Gestaltungsmöglichkeit leicht entsprechenden Einbaubedingungen anpaßbar ist.

Claims (8)

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Ventil­ glied (22), das einen zu seiner Betätigung bestimmten Kolben (25, 42, 43) aufweist, der von einer Druckfeder (24) in Schließrichtung des Ventilgliedes (22) zur Auflage auf einen Ventilsitz (20) beaufschlagt ist und der einen hydraulischen Kopplungsraum (30, 39, 53, 56) als bewegliche Wand abschließt, der andererseits von einem Aktorkolben (31, 59) eines Piezoaktors (32) begrenzt wird, durch dessen Arbeits­ hub eine Druckerhöhung im Kopplungsraum (30, 39, 53, 56) erzeugbar ist, durch die der Kolben (25, 42, 43) gegen die Kraft der Druckfeder (24) in Ventil-Öffnungsrichtung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Aktorkolben (31, 59) und den das Ventilglied (22) betätigenden Kolben (25, 42, 43) eingeschlossene Kopplungs­ raum (30, 39, 53, 56) zumindest auf einer Seite mit einer am Aktorkolben (31, 59) und/oder am Kolben (25, 42, 43) vorge­ sehenen Anpreßdruckverstärkungseinrichtung (35, 40, 48, 52, 57) ausgerüstet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßdruckverstärkungseinrichtung (35, 40) eine stirnsei­ tig und konzentrisch in den Aktorkolben (31) und/oder in den das Ventilglied (22) betätigenden Kolben (25, 42) einge­ brachte Sackbohrung (33, 34, 41) ist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sackbohrung (33, 34) zylindrisch ist.

4. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sackbohrung eine konkave Aushöhlung (41) ist.

5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßdruckverstärkungseinrichtung (53) durch einen am Kolbenkopf (44) festgespannten Ring (45, 54) mit einer stirnseitig angeordneten Innenaussparung (46) gebildet ist.

6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenaussparung (46) des Ringes (45) hohlzylindrisch ist.

7. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenaussparung des Ringes (54) durch eine kegelige Innen­ ringfläche (55) gebildet ist.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (54) wie ein Kolbenring geschlitzt ist.