DE19837890B4

DE19837890B4 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19837890B4
Application number: DE1998137890
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Frank; Gerd Dr. 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: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2018-08-21
Also published as: DE19837890A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil mit einer Steuerkammer (440), 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 zugordneten 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,
wobei der Schließkörper (370) einen teilkugelförmigen Schließkopf (375) aufweist, der dem Ventilsitz (350) zugeordnet ist,
wobei der Schließkopf (375) in einen Schließstiel (384) übergeht,
und wobei eine Ventilfeder (390) vorgesehen ist, die den Schließstiel (384) umfaßt und den Schließkopf (375) gegen den Ventilsitz (350) vorspannt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulaufkanal (410) mit einer Zulaufdrossel (415) zur Steuerkammer (440) vorgesehen ist,
und daß ein zwischen der Steuerkammer (440) und dem...

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein gattungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil ist aus der WO 99/61779 A1 bekannt. Dieses Kraftstoffeinspritzventil weist ein als 3/2-Wegeventil ausgestaltetes Servoventil auf.

Ein weiteres Kraftstoffeinspritzventil ist aus dem Dokument EP 0 816 670 A1 bekannt. Dieses Kraftstoffeinspritzventil enthält ebenfalls ein Servoventil, das dazu dient, hydraulisch das Öffnen und Schließen des Kraftstoffeinspritzventils zu bewirken, insbesondere den Beginn und das Ende des Einspritzvorganges zeitlich exakt festzulegen. In der Ventilkammer des Servoventils 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, das gattungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil dahingehend zu verbessern, daß sein Servoventil als 2/2-Wegeventil einsetzbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung gelöst, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen und Verbesserungen der Erfindung 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.

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 teilkugelförmig abgeschlossen, wobei die Teilkugelform zusammen mit einem Dichtsitz vorteilhaft als Dichtfläche dient.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert; es zeigen:
1: einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzserventil;
2: einen Querschnitt des Schließkörpers mit einer Ventilfeder
1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem 2/2-Wegeventil (Servoventil). Das Kraftstoffeinspritzventil mit rotationssymmetrischer Grundkörperform ist axial in Längsrichtung 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 Servokörper 300 weist zusätzlich einen Kraftstoffkanal 320, einen Rücklaufkanal 330 und eine zentrale Ventilkammer 345 auf. Der Rücklaufkanal 330 ragt seitlich in die Führungsbohrung 310 und ist mit einem Kraftstofftank verbunden. Die Führungsbohrung 310 geht über einen sich konisch öffnenden Ventilsitz 350 in die Ventilkammer 345 über. In der Ventilkammer 345 ist der Schließkörper 370 eingebracht, der zusammen mit dem 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 Ventilkammer 345 angeordnet ist und die auf den Schließkörper 370 eine zum Ventilsitz 350 gerichtete Federkraft ausübt.
Die Form des Schließkörpers 370 wird in der Beschreibung der 2 näher erläutert.
Die Ventilkammer 345, der Schließkörper 370, die Ventilfeder 390 und der 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 hergestellt wird. Auf der der Führungsbohrung 310 gegenüberliegenden 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 Zblaufkanal 410 auf, der den Kraftstoffkanal 430 mit der Steuerkammer 440 verbindet und der eine 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 Injektorkörper 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 anliegende 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 Spritzlöcher 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 Richtung 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 Bewegung 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 Kraftstofftank. 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 Steuerkammer 440 führt zu einer Auslenkung der Düsennadel 600 vom zweiten Ventilsitz 540 weg und somit zum Beginn des Einspritzvorgangs. Zieht der Aktor 100 sich in seine Ruhelage zurück, so kehrt der Schließkörper 370 wegen der Druckdifferenz zwischen der Ventilkammer 345 und dem Rücklaufkanal 330 und wegen der Rückstellkraft der Ventilfeder 390 auf den 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 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.
Die 2 zeigt einen Querschnitt des Schließkörpers 370 mit der Ventilfeder 390 in einer bevorzugten Ausbildungsform.
Der Schließkörper 370 ist entlang seiner Längsachse 371 rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Schließkörper 370 ist vom Stößel 200 in 1 aus gesehen axial unterteilt in einen Schließkopf 375, in eine Einbuchtung 380, in einen Schließstiel 384 und einen Schließfuß 386.
Der Schließkopf 375 ist auf der Seite des Ventilsitzes 350 teilkugelförmig mit einem ersten Radius R1 ausgebildet und weist eine mittige, vorzugsweise kreisförmige, Kopfabflachung 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 Stößel 200 mit einer großen Fläche auf der Kopfabflachung 376 aufliegt. Vorteilhaft wird durch die vergrößerte Auflagefläche eine geringere Materialbelastung des Schließkörpers 370 und des Stößels 200 und somit ein geringerer Abrieb des Materials erreicht, was eine erhöhte Lebensdauer ermöglicht. Weiterhin wird durch die Kopfabflachung 376 eine verbesserte Führung des Schließkörpers 370 durch den Stößel 200 erreicht, da die Stirnfläche des Stößels 200 parallel zur Kopfabflachung 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 weiterführend 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 zylinderförmigen 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 abschließt. Die Einbuchtung 380 ist im wesentlichen durch eine ringförmige Ausnehmung gebildet.
Der erste Radius R1 ist vorzugsweise gleich dem zweiten Radius R2, da der Schließkörper 370 aus einer Vollkugel hergestellt wird, die durch die eingezeichnete gestrichelte Linie in 3 angedeutet ist. Die Vollkugel besteht vorzugsweise aus Metall und wird durch Fräsen, Drehen o. ä. so bearbeitet, daß der Schließkörper 370 daraus hervorgeht, was vorteilhaft ein einfaches Herstellverfahren des Schließkörpers 370 darstellt. Die teilkugelförmigen Oberflächen des Schließkörpers 370 sind so ausgeführt, daß sie zusammen mit dem ersten Ventilsitz 350 bzw. dem Dichtsitz 360 jeweils eine hochdruckfeste Abdichtung ermöglichen, wobei die Teilkugelform vorteilhaft auch bei leichter Verkantung des Schließkörpers 370 eine Abdichtung ermöglicht. Die Oberflächen der Teilkugelflächen weisen eine geringe Rauhigkeit auf, um die Abdichtungen hochdruckfest zu machen. Vorteilhaft werden durch Ausformen des Schließkörpers 370 aus einer Vollkugel geringe Fertigungstoleranzen, 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. 1 oder 2) und am anderen Ende auf der Unterseite des Schließkopfes 375 auf, wobei die Federkraft der Ventilfeder 390 den Schließkörper 370 gegen den Ventilsitz 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 Feder 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 Schließkörpers 370 zueinander wird vorteilhaft eine kompakte Bauform des Servoventils 340 ermöglicht.
Die Ventilfeder 390 liegt vorzugsweise eng an dem Schließstiel 384 an, so daß die Ventilfeder 390 und der Schließkörper 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 folgende Merkmale erreicht wird:

– Der Stößel 200 liegt mit seiner Stirnfläche auf der Kopfabflachung 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 Unterseite des Schließkopfes 375 und mit der gegenüberliegenden Stirnseite auf dem Boden der Ventilkammer 345 ringförmig 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

Kraftstoffeinspritzventil mit einer Steuerkammer (440), 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 zugordneten 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, wobei der Schließkörper (370) einen teilkugelförmigen Schließkopf (375) aufweist, der dem Ventilsitz (350) zugeordnet ist, wobei der Schließkopf (375) in einen Schließstiel (384) übergeht, und wobei eine Ventilfeder (390) vorgesehen ist, die den Schließstiel (384) umfaßt und den Schließkopf (375) gegen den Ventilsitz (350) vorspannt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulaufkanal (410) mit einer Zulaufdrossel (415) zur Steuerkammer (440) vorgesehen ist, und daß ein zwischen der Steuerkammer (440) und dem Servoventil (340) angeordneter Ablaufkanal (420) vorgesehen ist, welcher eine Ablaufdrossel (425) aufweist, die den Kraftstoffabfluß aus der Steuerkammer (440) begrenzt.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließkörper (370) eine mittige Kopfabflachung (376) aufweist, die dem Ventilsitz (350) zugeordnet ist, daß der Aktor (100) mit einem Stößel (200) in Wirkverbindung steht, der durch den Ventilsitz (350) geführt ist und auf der Kopfabflachung (376) anliegt.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließstiel (384) einen Schließfuß (386) aufweist, der den Schießstiel (384) teilkugelförmig abschließt.
Kraftstoffeinspritzventil (340) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (R1) des Schließkopfes (375) gleich dem Radius (R2) des Schließfusses (386) ist.
Kraftstoffeinspritzventil (340) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließkörper (370) eine Einbuchtung (380) aufweist, in die die Ventilfeder (390) eingerastet ist.