DE19908417B4

DE19908417B4 - Steuerventil für die Einspritzanlage eines Dieselmotors

Info

Publication number: DE19908417B4
Application number: DE1999108417
Authority: DE
Inventors: Reda Rizk; Ulrich Dr. Augustin; Raimondo Dr. Giavi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2019-02-27
Also published as: DE19908417A1; WO2000052325A1

Abstract

Steuerventil für die Einspritzanlage eines Dieselmotors mit einem Kraftstoffinjektor mit einem Druckverstärker, dem das Steuerventil (10) vorgeschaltet ist, wobei das Steuerventil (10) ein Gehäuse (12) mit einer Ventilkammer (14), einem Eingangsanschluß (16), einem Ausgangsanschluß (18), einem Rücklauf (44) sowie einem in der Ventilkammer (14) axial beweglichen Ventilkörper (20), der eine ersten Ventilfläche (22) umfaßt, die in einem ersten Zustand an einem ersten Ventilsitz (24) am Gehäuse (12) anliegt und dadurch die Fluidverbindung zwischen Eingangsanschluß (16) und Ausgangsanschluß (18) unterbindet und die in einem zweiten Zustand vom ersten Ventilsitz (24) abgehoben ist und dadurch die Fluidverbindung zwischen Eingangsanschluß (16) und Ausgangsanschluß (18) hergestellt ist, und der eine zweite Ventilfläche (38) umfaßt, die im ersten Zustand vom zweiten Ventilsitz (40) abgehoben ist und dadurch eine Fluidverbindung zwischen Ausgangsanschluß (18) und dem Rücklauf (44) hergestellt ist und im zweiten Zustand am zweiten Ventilsitz (40) anliegt und dadurch die Fluidverbindung zum Rücklauf (44) sperrt,...

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für die Einspritzanlage eines Dieselmotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Anordnung ist aus der DE 197 41 164 A1 bekannt.
Der Dieselmotor mit Direkteinspritzung ist die Verbrennungskraftmaschine mit dem höchsten thermodynamischen Wirkungsgrad. Hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzung sind für verschiedene Motoren unterschiedliche Technologien im Einsatz. Besonders im NKW-Bereich werden Systeme mit Druckverstärkung im Kraftstoffinjektor eingesetzt. Ein Beispiel für einen Kraftstoffinjektor mit druckverstärkender Übersetzung ist in der US 5 460 329 beschrieben. Dabei gelangt der Kraftstoff über ein als Schieberventil ausgestaltetes elektromagnetisches Steuerventil zu dem Druckverstärker im Injektor. Über die elektromagnetische Ansteuerung des Steuerventils wird zu festgelegten Zeiten bzw. Kurbelwinkeln der Kraftstoff vom Druckverstärker unter hohen Druck gesetzt. Der unter hohen Druck gesetzte Kraftstoff bewirkt dann auf die herkömmliche Art, daß die Ventilnadel des Injektors von ihrem Sitz abhebt und den Weg für den Kraftstoff zu der Einspritzdüse des Injektors freigibt und der Kraftstoff in den Brennraum des Dieselmotors eingespritzt wird.
Eine andere Art von Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor mit einem nockenbetriebenen Druckverstärkerkolben ist der US 5 407 131 beschrieben. Das Steuerventil ist hier ein Sitzventil, das normalerweise offen ist und das mit Hilfe eines Elektromagneten geschlossen werden kann. Im offenen Zustand fließt der von einer Niederdruck-Kraftstoffförderpumpe aus dem Tank beförderte Kraftstoff durch das Steuerventil zum Tank zurück.
Eine Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum eines Zylinders des Dieselmotors wird dadurch eingeleitet, daß eine elektrische bzw. elektronische Motorsteuerung den Elektromagneten des Steuerventils ansteuert. Die vom Elektromagneten erzeugte magnetische Kraft bewirkt, daß das Sitzventil schließt. Der Kraftstoff im Injektor, der nun nicht mehr abfließen kann, wird in der Folge vom nockenbetätigten Kolben des Druckverstärkers unter Druck gesetzt. Wenn der Druck den vorgegebenen Düsennadelöffnungsdruck erreicht hat, beginnt die Einspritzung.
Die Kraftstoffeinspritzung wird dadurch beendet, daß der Elektromagnet nicht weiter mit Strom versorgt wird. Nach dem Zusammenbrechen des elektromagnetischen Feldes öffnet sich das Sitzventil wieder, so daß der Kraftstoff wieder abfließen kann und der Druck im Injektor abfällt.
Das Öffnen und Schließen des Sitzventils erfolgt natürlich in Korrelation zu den Stellungen bzw. Bewegungen des Kolbens im Zylinder des Motors und des mechanisch mit der Kurbelwelle in Verbindung stehenden Druckverstärkerkolbens des Injektors.
Die beiden dargestellten Anordnungen haben den Nachteil, daß sowohl bei den Schieberventilen als auch bei den Sitzventilen die Dichtfunktion nicht ausreicht. Die Schieberventile sind nur ungenügend über den Dichtspalt abgedichtet, und bei den Sitzventilen wird die Dichtfunktion vom Sitz nur in einer Richtung übernommen.
Aus gattungsbildenden DE 197 41 164 A1 ist ein nahezu druckausgeglichenes Sitzventil mit zwei Sitzkonfigurationen bekannt, die jeweils getrennt für sich eine Dichtfunktion übernehmen. Bei dem dargestellten Ventil sind die beiden Ventilflächen direkt am Ventilkörper ausgeführt. Die beiden Ventilflächen besitzen dabei jeweils Kegelform und sind weiterhin entgegengesetzt zueinander jeweils zu einer Stirnseite des Ventilkörpers hin orientiert. Diese Auslegung erfordert eine passgenaue Herstellung der Sitzflächen im Ventilgehäuse, um eine zuverlässige Dichtfunktion und zugleich eine exakte Einhaltung des Ventilwegs zwischen den beiden Sitzstellungen zu garantieren.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein nahezu vollständig druckausgeglichenes Sitzventil mit zwei Sitzkonfigurationen bereitzustellen, das sich einfach herstellen und montieren lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Das erfindungsgemäße Steuerventil weist ein Gehäuse mit einer Ventilkammer und mit einem Eingangsanschluß, einem Ausgangsanschluß und einem Rücklauf sowie einen in der Ventilkammer axial beweglichen Ventilkörper auf, der eine erste Ventilfläche umfaßt, die in einem ersten Zustand an einem ersten Ventilsitz am Gehäuse anliegt und dadurch die Fluidverbindung zwischen Eingangsanschluß und Ausgangsanschluß unterbindet, wobei in einem zweiten Zustand die erste Ventilfläche vom ersten Ventilsitz abgehoben ist und dadurch die Fluidverbindung zwischen Eingangsanschluß und Ausgangsanschluß hergestellt ist, und der eine zweite Ventilfläche umfaßt, die im ersten Zustand vom zweiten Ventilsitz abgehoben ist und dadurch eine Fluidverbindung zwischen Ausgangsanschluß und dem Rücklauf hergestellt ist, wobei im zweiten Zustand die zweite Ventilfläche am zweiten Ventilsitz anliegt und dadurch die Fluidverbindung zum Rücklauf sperrt.
Beim erfindungsgemäßen Steuerventil ist am Ventilkörper weiter ein Tellerventilelement mit der zweiten Ventilfläche koaxial befestigt ist, wobei die zweite Ventilfläche Kegelform besitzt und dem zweiten Ventilsitz gegenüber liegt, der in der Form einer kegelförmigen Schulter in der Wand der Ventilkammer, an der sich der Durchmesser der Ventilkammer vergrößert, ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Steuerventil ist somit ein fast vollständig druckausgleichendes Sitzventil mit zwei Sitzkonfigurationen, die jeweils die Dichtfunktion übernehmen. Durch diese Konstruktion wird ein Druckausgleich in jeder Stellung des Ventils erreicht, wodurch die benötigten Verstellkräfte minimiert werden. Außerdem werden die beiden Sitzkonfigurationen des erfindungsgemäßen Sitzventils unabhängig voneinander gefertigt und eingestellt, wodurch die Herstellung des Sitzventils einfach wird. So läßt sich das Ventilelement plan auf den Ventilkörper aufschrauben, wobei es sich selbständig an seinem vorzugsweise kegeligen Ventilsitz zentriert.
Die Figur der Zeichnung zeigt einen Schnitt durch ein Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor.
In der Zeichnung ist schematisch eine Schnittansicht eines Steuerventils für einen Kraftstoffinjektor mit Druckverstärker für die Einspritzanlage eines Dieselmotors dargestellt. Jeder Zylinder des Dieselmotors ist mit einem solchen Kraftstoffinjektor versehen.
Das gezeigte Steuerventil 10 umfaßt ein Ventilgehäuse 12 mit einer Ventilkammer 14. Das Gehäuse 12 weist einen Eingangsanschluß 16 und einen Ausgangsanschluß 18 auf. An den Eingangsanschluß 16 ist die Kraftstoffzuleitung von einem (nicht gezeigten) Druckspeicher angeschlossen, der eine gewisse Menge an einem Medium, z.B. Kraftstoff oder Öl, unter einem relativ geringen Druck enthält. Vom Ausgangsanschluß 18 gelangt das Medium gegebenenfalls zum Druckverstärker des Kraftstoffinjektors (ebenfalls nicht gezeigt). Sowohl der Eingangsanschluß 16 als auch der Ausgangsanschluß 18 münden in die Ventilkammer 14 im Ventilgehäuse 12, das heißt genauer gesagt jeweils in eine umlaufende Nut 16a bzw. 18a in der Wand der Ventilkammer 14. Die beiden Nuten 16a, 18a sind in Axialrichtung der Ventilkammer 14 beabstandet.
In der Ventilkammer 14 ist axial begrenzt beweglich ein Ventilkörper 20 angeordnet. Der Ventilkörper 20 weist eine kegelige Ventilfläche 22 in der Form einer Schulter am Ventilkörper 20 auf, die an einem dazu passenden Ventilsitz 24 in der Form eines Vorsprungs in der Ventilkammer 14 zur Anlage kommen kann.
Die Ventilfläche 22 und der Ventilsitz 24 sind in Axialrichtung zwischen den beiden Nuten 16a, 18a am Eingangsanschluß 16 bzw. am Ausgangsanschluß 18 vorgesehen. Die Ventilfläche 22 am Ventilkörper 20 und der Ventilsitz 24 sind damit so angeordnet, daß, wenn die Ventilfläche 22 am Ventilsitz 24 anliegt, die Fluidverbindung vom Eingangsanschluß 16 über die Ventilkammer 14 zum Ausgangsanschluß 18 durch den Ventilkörper 20 unterbrochen wird. Die Anlage der Ventilfläche 22 am Ventilsitz 24 wird durch eine Druckfeder 26 bewirkt.
Bei offenem Ventil, das heißt wenn die Ventilfläche 22 vom Ventilsitz 24 abgehoben ist, besteht zwischen Eingangsanschluß 16 und Ausgangsanschluß 18 eine Fluidverbindung.
Am Ventilkörper 20 ist, zum Beispiel mittels einer Schraube 28, in der axialen Verlängerung des Ventilkörpers 20 eine Ankerplatte 30 befestigt. Der Ankerplatte 30 liegt eine Magneteinheit 32 mit einem Elektromagneten gegenüber. Der Elektromagnet kann von einer (nicht gezeigten) Steuereinheit angesteuert werden. Wenn die Magneteinheit 32 Strom zugeführt erhält, wird die Ankerplatte 30 und der damit verbundene Ventilkörper 20 gegen die Wirkung der Druckfeder 26 axial in Richtung Magneteinheit 32 gezogen. Die Ventilfläche 22 wird dabei von ihrem Ventilsitz 24 abgehoben und die Fluidverbindung zwischen Eingangsanschluß 16 und Ausgangsanschluß 18 hergestellt.
An der anderen Seite des Ventilkörpers 20 ist, zum Beispiel mittels einer weiteren Schraube 34, ein Tellerventilelement 36 mit einer kegeligen Ventilfläche 38 koaxial am Ventilkörper 20 befestigt. Der Ventilfläche 38 liegt ein kegelförmiger Ventilsitz 40 in der Form einer Schulter in der Wand der Ventilkammer 14 gegenüber, an der sich der Durchmesser der Ventilkammer 14 vergrößert.
Die zweite Ventilfläche 38 am Tellerventilelement 36 zeigt axial in die entgegengesetzte Richtung wie die erste Ventilfläche 22 am Ventilkörper 20. Der axiale Öffnungsabstand zwischen der ersten Ventilfläche 22 am Ventilkörper 20 und der zweiten Ventilfläche 38 am Tellerventilelement 36 ist gleich groß wie der axiale Öffnungsabstand des ersten Ventilsitzes 24 für die erste Ventilfläche 22 vom zweiten Ventilsitz 40 für das Tellerventilelement 36. Der Ventilkörper 20 kann sich daher axial zwischen den beiden Stellungen "Anlage der ersten Ventilfläche 22 am ersten Ventilsitz 24" (erster Zustand) und "Anlage der zweiten Ventilfläche 38 am zweiten Ventilsitz 40" (zweiter Zustand) hin und her bewegen.
Im ersten Zustand, dem Ausgangszustand, der in der Zeichnung dargestellt ist, ist die hydraulische Verbindung oder Fluidverbindung des Druckmediums vom Speicher zum Druckverstärker im Injektor unterbrochen, da der Ventilkörper 20 von der Druckfeder 26 in der Darstellung der Zeichnung nach unten von der Magneteinheit 32 weg gedrückt wird und deshalb die erste Ventilfläche 22 abdichtend am ersten Ventilsitz 24 anliegt. Der Ventilkörper 20 verschließt somit, wie bereits oben erwähnt, den Eingangsanschluß 16.
In diesem Zustand ist die zweite Ventilfläche 38 vom zweiten Ventilsitz 40 abgehoben. Das Druckmedium kann vom Ausgangsanschluß 18 über eine Leitung 42 im Ventilgehäuse 12 zum Tellerventilelement 36 und, da dieses offen ist, weiter über einen dem Tellerventilelement nachgeschalteten Rücklaufanschluß 44 abfließen. Dadurch erfolgt ein Druckausgleich auf der Ausgangsseite des Steuerventils 10.
Eine Druckentlastungsöffnung 46, die in Höhe der Ankerplatte 30 aus dem Ventilgehäuse 12 herausführt und die mit dem drucklosen Rücklauf verbunden ist, verhindert, daß sich durch Leckströme ein Druck zwischen dem Ventilkörper 20 und dem Ventilgehäuse 12 aufbaut, der eine Betätigung des Steuerventils 10 erschweren könnte.
Die Einspritzung wird eingeleitet durch eine Ansteuerung, d.h. Bestromung der Magneteinheit 32. Die entstehende Magnetkraft zieht die Ankerplatte 30 in axialer Richtung zur Magneteinheit 32, so daß sich die mit der Ankerplatte 30 verbundene Ventileinheit aus Ventilkörper 20 und Tellerventilelement 36 in der Darstellung der Zeichnung nach oben bewegt, bis das Tellerventilelement 36 an seinem Sitz 40 anliegt. Die am zweiten Ventilsitz 40 anliegende zweite Ventilfläche 38 des Tellerventilelements 36 unterbricht die Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluß 18 und dem Rücklauf. Gleichzeitig wird durch das Abheben der ersten Ventilfläche 22 des Ventilkörpers 20 vom ersten Ventilsitz 24 die Verbindung zwischen dem Eingangsanschluß 16 und dem Ausgangsanschluß 18 hergestellt. Das Druckmedium bzw. der Kraftstoff kann damit vom Speicher zum Druckverstärker strömen und der Druck durch den Druckverstärker erhöht werden, bis die Einspritzung erfolgt.
Das Einspritzende wird erreicht, wenn die Bestromung der Magneteinheit 32 beendet wird. Die Druckfeder 26 schiebt dann den Ventilkörper 20 wieder in die Ausgangslage zurück, bis die erste Ventilfläche 22 am Ventilkörper 20 am ersten Ventilsitz 24 anliegt. Gleichzeitig öffnet sich das Tellerventilelement 36. Damit ist einerseits die Verbindung zwischen dem Eingangsanschluß 16 und dem Ausgangsanschluß 18 und damit die Verbindung zwischen Speicher und Druckverstärker unterbrochen und andererseits die Verbindung zwischen Ausgangsanschluß 18 und drucklosem Rücklauf wiederhergestellt.

Claims

Steuerventil für die Einspritzanlage eines Dieselmotors mit einem Kraftstoffinjektor mit einem Druckverstärker, dem das Steuerventil (10) vorgeschaltet ist, wobei das Steuerventil (10) ein Gehäuse (12) mit einer Ventilkammer (14), einem Eingangsanschluß (16), einem Ausgangsanschluß (18), einem Rücklauf (44) sowie einem in der Ventilkammer (14) axial beweglichen Ventilkörper (20), der eine ersten Ventilfläche (22) umfaßt, die in einem ersten Zustand an einem ersten Ventilsitz (24) am Gehäuse (12) anliegt und dadurch die Fluidverbindung zwischen Eingangsanschluß (16) und Ausgangsanschluß (18) unterbindet und die in einem zweiten Zustand vom ersten Ventilsitz (24) abgehoben ist und dadurch die Fluidverbindung zwischen Eingangsanschluß (16) und Ausgangsanschluß (18) hergestellt ist, und der eine zweite Ventilfläche (38) umfaßt, die im ersten Zustand vom zweiten Ventilsitz (40) abgehoben ist und dadurch eine Fluidverbindung zwischen Ausgangsanschluß (18) und dem Rücklauf (44) hergestellt ist und im zweiten Zustand am zweiten Ventilsitz (40) anliegt und dadurch die Fluidverbindung zum Rücklauf (44) sperrt, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilkörper (20) ein Tellerventilelement (36) mit der zweiten Ventilfläche (38) koaxial befestigt ist, wobei die zweite Ventilfläche (38) Kegelform besitzt und dem zweiten Ventilsitz (40) gegenüber liegt, der in der Form einer kegelförmigen Schulter in der Wand der Ventilkammer (14), an der sich der Durchmesser der Ventilkammer (14) vergrößert, ausgebildet ist.
Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tellerventilelement (36) an einer Seite des Ventilkörpers (20) mittels einer Schraube (34) befestigt ist.
Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Tellerventilelement (36) gegenüberliegenden Seite des Ventilkörpers (20) mittels einer Schraube (28) in der axialen Verlängerung des Ventilkörpers (20) eine Ankerplatte (30) befestigt, die einer Magneteinheit (32) gegenüberliegt, die so angesteuert wird, daß, wenn der Magneteinheit (32) Strom zugeführt wird die Ankerplatte (30) und der damit verbundene Ventilkörper (20) gegen die Wirkung einer Druckfeder (26) axial in Richtung Magneteinheit (32) gezogen wird, wodurch die erste Ventilfläche (22) von dem ersten Ventilsitz (24) abgehoben und die Fluidverbindung zwischen Eingangsanschluß (16) und Ausgangsanschluß (18) hergestellt wird.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ventilfläche (22) und der erste Ventilsitz (24) kegelförmig sind.