DE19837890A1

DE19837890A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19837890A1
Application number: DE1998137890
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Frank; Gerd Schmutzler; Joachim Wagner; Hartmut Gross
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1998-08-20
Filing date: 1998-08-20
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2018-08-21
Also published as: DE19837890B4

Abstract

Ein Aktor (100) ist über einen Stößel (200) mit einem Schließglied (370) in Wirkverbindung, wobei das Schließglied (370) in einer Ventilkammer (345) eingebracht ist und mit einem konisch zulaufenden Ventilsitz (350) als Teil eines Servoventils (340) eine hochdruckfeste Dichtung bildet. Der Querschnitt des Schließgliedes (370) ist pilzförmig ausgebildet, wobei der Schließkopf teilkugelförmig ist und eine mittige Abflachung aufweist, wodurch der Stößel (200) eine vergrößerte Auflagefläche hat. Der Stiel des Schließgliedes ist von einer Ventilfeder (390) umfaßt. Das Schließglied (370) wird vorzugsweise aus einer Vollkugel ausgeformt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur dessen Herstellung.

Ein solches Kraftstoffeinspritzventil ist aus dem Dokument EP 0 816 670 A1 bekannt. Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil enthält ein Servoventil, das dazu dient, hydraulisch das Öff nen und Schließen des Kraftstoffeinspritzventils zu bewirken, insbesondere den Beginn und das Ende des Einspritzvorganges zeitlich exakt festzulegen. In der Ventilkammer des Servoven tils ist ein kugelförmiger Schließkörper eingebracht, der über ein Stößel mit einem Aktor in Wirkverbindung steht. Der Schließkörper bildet zusammen mit einem konischen, ersten Ventilsitz der Ventilkammer eine hochdruckfeste Abdichtung. Bei Auslenkung des Aktors wird der Schließkörper vom ersten Ventilsitz abgehoben, wodurch das Servoventil öffnet (2/2- Wegeventil). In einer weiteren Ausbildungsform ist in der Ventilkammer ein weiterer, dem ersten Ventilsitz in axialer Richtung gegenüberliegender konischer Dichtsitz angeordnet, wobei der Schließkörper im ausgelenkten Zustand des Aktors den weiteren Ventilsitz abdeckt und somit eine hydraulische Sperre entsteht (3/2-Wegeventil).

Aufgabe der Erfindung ist es, die Bauform des Servoventils zu verbessern.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung und ei nem Verfahren gelöst, wie sie in den unabhängigen Patenan sprüchen beschrieben sind.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen und Verbesserungen der Er findung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, die Lebensdauer des Servoventils zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil liegt in der kleinen Bauform des Servoventils und im einfachen Herstel lungsverfahren des Schließkörpers.

Vorteilhaft ist die besondere Ausformung des Schließkörpers als rotationssymmetrischer Körper, der an einer Stirnseite (Kopf) einen teilkreisförmigem Abschluß aufweist und in Längsrichtung zur gegenüberliegenden Stirnseite gerichtet in einen schlanken Stiel mit geringerem Durchmesser übergeht. Die Querschnittsform des Schließkörpers ist näherungsweise pilzförmig ausgebildet.

Der Kopf des Schließkörpers weist vorzugsweise eine mittige Abflachung auf, auf der ein Stößel aufliegt, der mit einem Aktor verbunden ist. Dadurch wird eine vergrößerte Wirkfläche zwischen Stößel und Schließkörper erreicht, was vorteilhaft zu einer geringeren Abnutzung und einer geringeren Gefahr des Verkantens des Schließkörpers führt.

Der Stiel des Schließkörpers wird von einer Ventilfeder um faßt, die den Schließkörper in Richtung auf den ersten Ven tilsitz vorspannt. Vorteilhaft wird dadurch eine kompakten Baugröße des Servoventils und eine Stabilisierung des Schließkörpers erreicht.

Der Stiel des Schließkörpers wird teilkugelförmig abgeschlos sen, wobei die Teilkugelform zusammen mit einem Dichtsitz vorteilhaft als Dichtfläche dient.

Der Schließkörper wird vorzugsweise aus einer Vollkugel her gestellt. Dadurch ergeben sich geringe Fertigungstoleranzen und ein einfaches Fertigungsverfahren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher er läutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritz serventil mit einem Servoventil in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritzven til mit einem Servoventil in einer zweiten Ausfüh rungsform;

Fig. 3 einen Querschnitt des Schließkörpers mit einer Ven tilfeder

Fig. 1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem 2/2- Wegeventil (Servoventil) . Das Kraftstoffeinspritzventil mit rotationssymmetrischer Grundkörperform ist axial in Längs richtung in verschiedene Körper unterteilt.

Ein steuerbarer Aktor 100, vorzugsweise ein piezoelektrischer Aktor, steht mit einem Schließkörper 370 über einen Stößel 200 in Wirkverbindung. Der Stößel 200 wird in einer zentralen Führungsbohrung 310 eines Servokörpers 300 geführt. Der Ser vokörper 300 weist zusätzlich einen Kraftstoffkanal 320, ei nen Rücklaufkanal 330 und eine zentrale Ventilkammer 345 auf. Der Rücklaufkanal 330 ragt seitlich in die Führungsbohrung 310 und ist mit einem Kraftstofftank verbunden. Die Führungs bohrung 310 geht über einen sich konisch öffnenden ersten Ventilsitz 350 in die Ventilkammer 345 über. In der Ventil kammer 345 ist der Schließkörper 370 eingebracht, der zusam men mit dem ersten Ventilsitz 350 im geschlossenen Zustand eine hochdruckfeste Dichtung bildet. Der Schließkörpers 370 ist pilzförmig ausgeformt, wobei der Stiel des Schließkörpers 370 von einer Ventilfeder 390 umfaßt ist, die in der Ventil kammer 345 angeordnet ist und die auf den Schließkörper 370 eine zum ersten Ventilsitz 350 gerichtete Federkraft ausübt.

Die Form des Schließkörpers 370 wird in der Beschreibung der Fig. 3 näher erläutert.

Die Ventilkammer 345, der Schließkörper 370, die Ventilfeder 390 und der erste Ventilsitz 350 bilden ein Servoventil 340, das über den Stößel 200 von dem Aktor 100 angesteuert wird. Durch Auslenkung des Aktors 100 aus dem Ruhezustand öffnet das Servoventil 340, wodurch eine hydraulische Verbindung (Abfluß) zwischen der Ventilkammer 345 und dem Kraftstofftank über die Führungsbohrung 310 und den Rücklaufkanal 330 herge stellt wird. Auf der der Führungsbohrung 310 gegenüberliegen den Seite wird die Ventilkammer 345 von einem Zwischenkörper 400 begrenzt, der in axialer Richtung an den Servokörper 300 anschließt.

Der Zwischenkörper 400 weist einen Kraftstoffkanal 430, einen Ablaufkanal 420 und einen Zulaufkanal 410 auf, der den Kraft stoffkanal 430 mit der Steuerkammer 440 verbindet und der ei ne Zulaufdrossel 415 aufweist, die den Kraftstoffzufluß in die Steuerkammer 440 beschränkt. Der Ablaufkanal 420 weist eine Ablaufdrossel 425 auf, die den Kraftstoffabfluß aus der Steuerkammer 440 begrenzt.

Der an den Zwischenkörper 400 axial anschließende Injektor körper 500 weist eine zentrale Kolbenführung 510 auf, in der in axialer Richtung ein Steuerkolben 520 geführt ist, wobei der Steuerkolben 520 seine Auslenkung auf die an ihn anlie gende Düsennadel 600 überträgt. Die Düsennadel 600 und der Düsenkörper 610 bilden mit ihrer Ventilspitze 640 bzw. mit seinem konisch zulaufenden, zweiten Ventilsitz 540 ein Ventil 640, 540, das die Kraftstoffeinspritzung über einen oder meh rere an der Spitze des Düsenkörpers 610 angeordneten Spritz löcher 550 in einen Brennraum steuert. In der Düsennadel 600 sind Ringabsätze eingearbeitet, die durch den Kraftstoffdruck eine axiale, von dem zweiten Ventilsitz 540 weg gerichtete Rückstellkraft auf die Düsennadel 600 bewirkt.

Der Steuerkolben 520 ragt in eine Steuerkammer 440, die über den Ablaufkanal 420 mit der Ventilkammer 345 verbunden ist. Der Druck in der Steuerkammer 440 übt eine axiale, in Rich tung des zweiten Ventilsitzes 540 gerichtete Schließkraft auf den Steuerkolben 520 und die Düsennadel 600 aus, wobei eine Schließfeder 620 auf die Düsennadel 600 eine der Schließkraft gleichgerichtete Kraft ausübt.

Eine axial in Richtung des Zwischenkörpers 400 gerichtete Be wegung der Düsennadel 600 öffnet das Ventil 640, 540, eine entgegengesetzte Bewegung schließt das Ventil 640, 540.

Durch Öffnen des Servoventils 340 fließt Kraftstoff von der Ventilkammer 345 über den Rücklaufkanal 330 in den Kraft stofftank. Durch die Zulaufdrossel 415 und die Ablaufdrossel 425 ist der Kraftstoffzufluß beschränkt, so daß nicht genug Kraftstoff nachfließen kann, um den Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 440 zu halten. Der reduzierte Druck in der Steu erkammer 440 führt zu einer Auslenkung der Düsennadel 600 vom zweiten Ventilsitz 540 weg und somit zum Beginn des Ein spritzvorgangs. Zieht der Aktor 100 sich in seine Ruhelage zurück, so kehrt der Schließkörper 370 wegen der Druckdiffe renz zwischen der Ventilkammer 345 und dem Rücklaufkanal 330 und wegen der Rückstellkraft der Ventilfeder 390 auf den er sten Ventilsitz 350 zurück und unterbricht die hydraulische Verbindung zischen der Ventilkammer 345 und dem Rücklaufkanal 330 (Schließposition). Über die Zulaufdrossel 415 fließt Kraftstoff aus den Kraftstoffkanal 430 in die Steuerkammer 440 und die Ventilkammer 345 nach, wodurch der Hochdruck in der Steuerkammer 440 wieder aufgebaut wird. Dadurch wird die Düsennadel 600 auf den zweiten Ventilsitz 540 gepreßt, so daß der Einspritzvorgang durch die Spritzlöcher 550 beendet wird.

In Fig. 2 ist ein Kraftstoffeinspritzventil aus Fig. 1 mit einem 3/2-Wegeventil (Servoventil) aufgeführt. Im Unterschied zum Kraftstoffeinspritzventil aus Fig. 1 sind im Zulaufkanal 410 und im Ablaufkanal 420 keine Drosseln 415, 425 vorhanden. Weiterhin weist im Unterschied zur Fig. 1 die Ventilkammer 345 an dem dem ersten Ventilsitz 350 gegenüberliegenden Ende einen konisch zulaufenden Dichtsitz 360 auf, der in Verbin dung mit dem unterem Körperteil des Schließgliedes 370, dem Schließfuß 386 (s. Fig. 3), eine hochdruckfeste Abdichtung bildet. Diese Abdichtung schließt bei ausgelenktem Aktor 100, d. h. bei geöffnetem Abfluß, den Zulaufkanal 410 von der Ven tilkammer 345 hydraulisch ab.

Dieses 3/2-Wegeventil besitzt folgende Funktionsweise: Im nicht ausgelenkten Zustand des Aktors 100 ist die Steuerkam mer 440 hydraulisch mit dem unter Hochdruck stehenden Kraft stoff im Kraftstoffkanal 430 verbunden. Die hydraulische Ver bindung zwischen der Ventilkammer 345 und dem Rücklaufkanal 330 ist unterbrochen. Im ausgelenkten Zustand des Aktors 100 ist die Verbindung zwischen dem Zulaufkanal 410 und der Ven tilkammer 345 unterbrochen, die Steuerkammer 440 ist über die Ventilkammer 345 mit dem Rücklaufkanal 330 hydraulisch ver bunden. Durch die Auslenkung des Aktors 100 wird somit in der Steuerkammer 440 ein schneller Druckabfall erreicht, wodurch ein schnelles Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils erreicht wird. Geht der Aktor 100 vom ausgelenkten Zustand in seinen Ruhezustand zurück, baut die Steuerkammer 440 ihren Druck über die Ventilkammer 345 und dem Zulaufkanal 410 schnell und durch keine Zulaufdrossel 415 gehemmt wieder auf, wodurch ein schnelles Beenden des Kraftstoffeinspritzvorgangs erreicht wird. Zudem wird die Kraftstoffmenge reduziert, die bei ge öffnetem Servoventil 340 über den Rücklaufkanal 330 abfließt.

Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des Schließkörpers 370 mit der Ventilfeder 390 in einer bevorzugten Ausbildungsform.

Der Schließkörper 370 ist entlang seiner Längsachse 371 rota tionssymmetrisch ausgebildet. Der Schließkörper 370 ist vom Stößel 200 in Fig. 1 aus gesehen axial unterteilt in einen Schließkopf 375, in eine Einbuchtung 380, in einen Schließ stiel 384 und einen Schließfuß 386.

Der Schließkopf 375 ist auf der Seite des ersten Ventilsitzes 350 teilkugelförmig mit einem ersten Radius R1 ausgebildet und weist eine mittige, vorzugsweise kreisförmige, Kopfab flachung 376 auf, wodurch der Stößel 200 eine im Vergleich zur reinen Teilkugelform vergrößerte Auflagefläche aufweist. Die Stirnfläche mit der der Stößel 200 auf der Kopfabflachung 376 aufliegt, ist ebenfalls plan ausgebildet, so daß der Stö ßel 200 mit einer großen Fläche auf der Kopfabflachung 376 aufliegt. Vorteilhaft wird durch die vergrößerte Auflageflä che eine geringere Materialbelastung des Schließkörpers 370 und des Stößels 200 und somit ein geringerer Abrieb des Mate rials erreicht, was eine erhöhte Lebensdauer ermöglicht. Wei terhin wird durch die Kopfabflachung 376 eine verbesserte Führung des Schließkörpers 370 durch den Stößel 200 erreicht, da die Stirnfläche des Stößels 200 parallel zur Kopfab flachung 376 angeordnet ist.

Der Schließkopf 375 weist an seiner der Kopfabflachung 376 axial gegenüberliegenden Unterseite einen Absatz auf, der zu einer Verringerung des Durchmessers führt und der den Anfang der Einbuchtung 380 darstellt. In axialer Richtung weiterfüh rend geht der Absatz über eine Rundung in einen zylinderför migen Stiel über, der sich über eine weitere Rundung konisch erweitert und über eine erste Ringkante in den zylinderförmi gen Schließstiel 384 mit erweitertem Durchmesser übergeht. Der Schließstiel 384 endet an einer weiteren Ringkante und geht in den Schließfuß 386 über, der den Schließstiel 384 vorzugsweise teilkugelförmig mit einem zweiten Radius R2 ab schließt. Die Einbuchtung 380 ist im wesentlichen durch eine ringförmige Ausnehmung gebildet.

Der erste Radius R1 ist vorzugsweise gleich dem zweiten Radi us R2, da der Schließkörper 370 aus einer Vollkugel herge stellt wird, die durch die eingezeichnete gestrichelte Linie in Fig. 3 angedeutet ist. Die Vollkugel besteht vorzugsweise aus Metall und wird durch Fräsen, Drehen o.a. so bearbeitet, daß der Schließkörper 370 daraus hervorgeht, was vorteilhaft ein einfaches Herstellverfahren des Schließkörpers 370 dar stellt. Die teilkugelförmigen Oberflächen des Schließkörpers 370 sind so ausgeführt, daß sie zusammen mit dem ersten Ven tilsitz 350 bzw. dem Dichtsitz 360 jeweils eine hochdruckfe ste Abdichtung ermöglichen, wobei die Teilkugelform vorteil haft auch bei leichter Verkantung des Schließkörpers 370 eine Abdichtung ermöglicht. Die Oberflächen der Teilkugelflächen weisen eine geringe Rauhigkeit auf, um die Abdichtungen hoch druckfest zu machen. Vorteilhaft werden durch Ausformen des Schließkörpers 370 aus einer Vollkugel geringe Fertigungsto leranzen, besonders im Bereich der Dichtflächen erreicht.

Die Einbuchtung 380 und der Schließstiel 384 werden von einer Ventilfeder 390 umfaßt. Die Ventilfeder 390 liegt an einem Ende auf dem Zwischenkörper 400 (dem Boden der Ventilkammer 345, s. Fig. 1 oder Fig. 2) und am anderen Ende auf der Un terseite des Schließkopfes 375 auf, wobei die Federkraft der Ventilfeder 390 den Schließkörper 370 gegen den ersten Ven tilsitz 350 und den Stößel 300 drückt. Die Einbuchtung 380 dient dazu, daß eine Stirnseite der Ventilfeder 390 annähernd senkrecht auf der Unterseite des Schließkopfes 375 anliegt und so vorteilhaft im wesentlichen axiale Kräfte auf die Fe der ausgeübt werden. Weiterhin rastet die Ventilfeder 390 in die Einbuchtung 380 ein und ist somit vorteilhaft mechanisch fest mit dem Schließglied 370 verbunden.

Durch die Anordnung der Ventilfeder 390 und des Schließkör pers 370 zueinander wird vorteilhaft eine kompakte Bauform des Servoventils 340 ermöglicht.

Die Ventilfeder 390 liegt vorzugsweise eng an dem Schließ stiel 384 an, so daß die Ventilfeder 390 und der Schließkör per 370 seitlich stabilisiert sind.

Eine vorteilhafte, stabilisierte Führung des Schließkörpers 370 verbessert das dynamische Verhalten des Servoventils 340 und beschleunigt dessen Öffnen und Schließen, was durch fol gende Merkmale erreicht wird:

- Der Stößel 200 liegt mit seiner Stirnfläche auf der Kopfab flachung 376 auf und bewirkt eine stabilisierende Kraft auf den Schließkörper 370, die wodurch ein Verkanten des Schließkörpers 370 erschwert wird.
- Die Ventilfeder 390 liegt mit einer Stirnseite an der Un terseite des Schließkopfes 375 und mit der gegenüberliegen den Stirnseite auf dem Boden der Ventilkammer 345 ringför mig an. Durch die axial gerichtete, ringförmig gleichmäßig auf den Boden der Ventilkammer 345 und die Unterseite des Schließkopfes 375 wirkende Federkraft der Ventilfeder 390 wird der Schließkörper 370 stabilisiert.
- Die Ventilfeder 390 umfaßt den Schließstiel 384 eng und hindert somit den Schließkörper 370 am Verkanten.

Die Ventilfeder 390 ist vorzugsweise als Spiralfeder oder als Hohlfeder ausgeführt.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzventil mit einer Steuerkammer (440), die mit einem Zulaufkanal (410) verbunden ist, wobei der Druck in der Steuerkammer (440) in Wirkverbindung mit einer Düsennadel (600) steht und der Druck in der Steuerkammer (440) die Düsennadel (600) steuert,
mit einem Servoventil (340), das einen Schließkörper (370) und einen zugeordneten ersten Ventilsitz (350) aufweist, wobei das Servoventil (340) zwischen der Steuerkammer (440) und einem Rücklaufkanal (330) angeordnet ist und der Schließkörper (370) in einer Schließposition einen Abfluß verschließt,
mit einem Aktor (100), der den Schließkörper (370) betätigt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schließkörper (370) einen teilkugelförmigen Schließkopf (375) aufweist, der dem ersten Ventilsitz (350) zugeordnet ist,
daß der Schließkopf (375) in einen Schließstiel (384) übergeht,
daß eine Ventilfeder (390) vorgesehen ist, die den Schließstiel (384) umfaßt und den Schließkopf (375) gegen den ersten Ventilsitz (350) vorspannt.

2. Kraftstoffeinspritzventil (340) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schließkörper (370) eine mittige Kopfabflachung (376) aufweist, die dem ersten Ventilsitz (350) zugeordnet ist,
daß der Aktor (100) mit einem Stößel (200) in Wirkverbindung steht, der durch den ersten Ventilsitz (350) geführt ist und auf der Kopfabflachung (376) anliegt.

3. Kraftstoffeinspritzventil (340) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließstiel (384) einen Schließfuß (386) aufweist, der den Schießstiel (384) teilkugelförmig abschließt.

4. Kraftstoffeinspritzventil (340) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Dichtsitz (360) ausgebildet ist, der dem ersten Ventilsitz (350) gegenüberliegt, und
daß der Schließfuß (386) mit dem Dichtsitz (360) bei geöffnetem Abfluß eine hochdruckfeste Abdichtung bildet.

5. Kraftstoffeinspritzventil (340) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (R1) des Schließkopfes (375) gleich dem Radius (R2) des Schließfusses (386) ist.

6. Kraftstoffeinspritzventil (340) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließkörper (370) eine Einbuchtung (380) aufweist, in die die Ventilfeder (390) eingerastet ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Schließkörpers für ein Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließkörper (370) durch Einbringen von Ausnehmungen in eine Vollkugel geformt wird.