DE19938921B4 - Einspritzventil für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Einspritzventil für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem elektromagnetisch betätigten Steuerventil, dessen Ventilstellglied lokal getrennt eine Stellgliedanschlagfläche 12a und eine Stellglieddichtfläche 16a ausbildet. Durch die lokale Trennung von Stellgliedanschlagfläche und Stellglieddichtfläche eignet sich das Steuerventil für extrem hohe Betriebsdrücke und gewährleistet sowohl exakte Steuerung als auch lange Standzeit.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Einspritzventil für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Ein Einspritzventil mit den vorgenannten Merkmalen ist aus
2 der europäischen PatentschriftEP 0531 533 B1 bekannt. Bei dem bekannten Einspritzventil ist das Ventilstellglied mit dem Anker der Elektromagneten fest verbunden und wird durch Federkraft auf eine Dichtfläche gedrückt, so daß die Durchtrittsöffnung zum Steuerdruckraum verschlossen ist. Üblicherweise werden solche Einspritzventile bei Speichereinspritzsystemen verwendet, wo sehr hohe Steuerdrücke in der Größenordnung mehrerer 100 Bar auftreten. Durch Bestromung des Elektromagneten wird das mit dem Magnetanker verbundene Ventilstellglied gegen die Federkraft angehoben, so daß die Durchtrittsöffnung freigegeben wird und dadurch im Steuerdruckraum der Hochdruck abgebaut werden kann. Durch den Druckabfall im Steuerdruckraum wird dann die Einspritzung im Einspritzventil ausgelöst. Durch das Abschalten des Magnetspulenstroms schlägt der Magnetanker und mit diesem das üblicherweise als zylindrischer Bolzen ausgeführte Ventilstellglied mit seiner Stirnfläche unter der Federkraft auf die Dichtfläche und verschließt damit die Durchtrittsöffnung. Eine gute Dichtwirkung des Ventilstellgliedes gegen den sehr hohen Druck im Steuerdruckraum wird durch eine möglichst kleine Querschnittsfläche und damit kleinen Durchmesser des Ventilstellglieds erreicht. Ein möglichst kleiner Durchmesser des Ventilstellglieds ist auch deshalb anzustreben, damit Winkelfehler, d. h. Abweichungen in der Ausrichtung der Stirnfläche des Ventilstellglieds von der zugehörigen Dichtsitzfläche, die durch Fertigungsungenauigkeiten entstehen, nicht zu Leckagespalten führen. Schließlich ist ein dritter Grund für einen möglichst geringen Durchmesser des Ventilstellglieds eine hohe anzustrebende Dichtsitzpressung und damit eine exaktere Steuerung. - Ein Nachteil eines geringen Durchmessers des Ventilstellglieds liegt allerdings darin, dass mit kleinem Durchmesser und damit kleiner Stirnfläche sich ein möglicherweise unzulässig hoher Sitzeinschlag an der Ventilöffnung ergibt. Ein weiterer Nachteil eines geringen Durchmessers des Ventilstellglieds ist darin zu sehen, dass die Schließbewegung des Magnetankers und des Ventilstellglieds, die zusammen eine beträchtliche träge Masse bilden, wenig gedämpft auf Null verzögert werden und so Rückpralleffekte auftreten. Für ein dämpfendes Abbremsen des Ventilstellgliedes wäre ein möglichst großer Durchmesser und damit eine entsprechend große Stirnfläche wünschenswert.
- Aus der
EP 0 745 764 A2 geht ein Steuerventil als bekannt hervor, bei dem zur Reduzierung der mechanischen Beanspruchung der Dichtfläche eine zusätzliche Sitzfläche vorgesehen ist. Sitzfläche und Dichtfläche liegen in einer Ebene und sind durch eine ringförmige Stirnnut voneinander getrennt. Die entsprechende Ausbildung kann im Ventilstellglied des Steuerventils vorgesehen sein. Nachteilig ist, dass schon geringste Toleranzen in Winkel- und Höhenlage von Sitzfläche und Dichtfläche zu Undichtigkeiten führen. - In der
DE 197 08 104 A1 ist ein gattungsgemäßes Einspritzventil dargestellt, bei dem das Ventilstellglied des Steuerventils zusätzlich zur Stellglieddichtfläche eine in Richtung Schließen des Ventilstellgliedes wirkende Anschlagfläche aufweist. Die Anschlagfläche ist in einem axialen Abstand von der Stellgliedfläche angeordnet. Um Schwingungen zu verhindern, die entstehen, wenn eine große Masse beschleunigt und plötzlich schlagartig abgebremst wird, wenn z. B. Ankerbolzen mit Ankerplatte und Ventilglied als Masse auf dem Ventilsitz aufschlagen, wird vorgeschlagen, die Ankerplatte auf dem Ankerbolzen verschiebbar zu lagern. Nach dem Aufsetzen des Ventilglieds auf dem Ventilsitz bewegt sich die Ankerplatte gegen die Kraft einer Rückstellfeder weiter, so dass die effektiv abgebremste Masse geringer wird und die elastische Verformung des Ventilsitzes, die zu dem nachteiligen Rückprellen des Ventilglieds führt, geringer ist. Das Bewegungsverhalten der Ankerplatte kann durch geeignete Abstimmung der Größe des freien Wegs der Ankerplatte und der Rückführfeder erfolgen. Der Verschleiß der Dichtfläche wird dadurch gemindert, dass die Massenkräfte verringert sind. Die in der Dichtfläche wirkenden Kräfte sind jedoch von dynamischen Vorgängen abhängig, so dass sich eine definierte Dichtkraft nicht einstellen lässt. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unzulässig hohen Verschleiß durch die Aufprallbewegung des Ventilstellgliedes zu vermeiden, indem die in der Dichtfläche wirkenden Dichtkräfte auf einen vorgegebenen festen, vom Betrieb unabhängigen Wert eingestellt werden.
- Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
- Die Länge der Ventilstange bestimmt dabei im Wesentlichen den Abstand, den die Stellglieddichtfläche von der Stellgliedanschlagfläche aufweist. Die geringfügige Überlänge der Ventilstange, wird bei der Schließbewegung durch elastische Verformung (Verkürzung) der Ventilstange aufgenommen.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einspritzventils ist die Stellglieddichtfläche die Stirnseite einer vom Ventilstellglied ausgebildeten Ventilstange. Vorteilhaft ist es, wenn das Ventilstellglied im wesentlichen pilzförmig gestaltet ist, wobei der Pilzschaft die Ventilstange bildet und die Stellgliedanschlagfläche ein im Bereich des Pilzhutes die Ventilstange konzentrisch umgebender Ringbund ist. Ein solcherart ausgebildetes Ventilstellglied ist fertigungstechnisch mit wenig Aufwand herzustellen.
- Durch die räumliche Trennung der Stellglieddichtfläche von der Stellgliedanschlagfläche lassen sich die gegensätzlichen Forderungen bezüglich der Dichtfunktion einerseits und der Aufpralldämpffunktion andererseits zugleich verwirklichen. Demnach wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Stellgliedanschlagfläche wesentlich größer ist als die Stellglieddichtfläche. Die lokal getrennte Ausbildung von Stellgliedanschlagfläche und Stellglieddichtfläche hat darüber hinaus noch den Vorteil, dass hohe Fluiddrücke, wie sie im Bereich der Fluiddurchtrittsöffnung und damit der Stellglieddichtfläche auftreten, lokal vom Elektromagneten wegverlegt werden können und insoweit der Elektromagnet von hohem hydraulischen Druck geschützt ist. Schließlich liegt ein weiterer Vorteil darin, dass der Elektromagnet auch vor Beeinträchtigung durch die physikalischen oder chemischen Eigenschaften des Steuerfluids besser geschützt werden kann.
- Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilstellglied zweigeteilt ist in einen die Stellgliedanschlagfläche aufweisenden Stellgliedanschlag und eine die Stellglieddichtfläche aufweisende, mit dem Stellgliedanschlag in Wirkverbindung stehende Ventilstange.
- Ein wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen zweiteiligen Gestaltung des Ventilstellglieds besteht darin, dass die im Durchmesser deutlich geringere Ventilstange leichter unabhängig vom Stellgliedanschlag herstellbar ist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass unterschiedliches Material für die Ventilstange und den Stellgliedanschlag verwendet werden kann. Bei der zweiteiligen Ausführung des Ventilstellglieds muss lediglich ' sichergestellt sein, dass die Öffnungsbewegung der Ventilstange, d. h. also das Abheben von der Dichtfläche durch den Überdruck aus der Fluiddurchtrittsöffnung oder durch eine unterstützende Hilfsfeder gewährleistet ist.
- Vorteilhaft ist es, wenn der Stellgliedanschlag im wesentlichen pilzförmig gestaltet ist, wobei die Stellgliedanschlagfläche eine im Bereich des Pilzfußes an der Ventilstange anschlagende Stirnfläche ist. Diese Stirnfläche wird im Regelfall ein Kreisfläche sein, deren Durchmesser deutlich größer ist als der Durchmesser der anschlagenden Ventilstange.
- In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Ventilstange in Führungsbüchsen axial beweglich zu führen. Dabei ist es im Hinblick auf eine möglichst minimale Stellglieddichtfläche anzustreben, dass eine Führungsbüchse in geringem Abstand der Stellglieddichtfläche der Ventilstange angeordnet ist. Auf diese Weise werden Biegeschwingungen des freien Endes der Ventilstange mit der Stellglieddichtfläche verhindert, so dass die Stellglieddichtfläche nur einen geringfügig größeren Durchmesser aufweisen muss als den der Durchtrittsbohrung.
- Die Länge der Ventilstange beträgt vorzugsweise ein Vielfaches ihres Durchmessers.
- Anhand der beigefügten Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. In den Zeichnungen zeigt
-
1 ein erfindungsgemäßes Einspritzventil im Längsschnitt, -
2 den Bereich des elektromagnetischen Steuerventils des Einspritzventils nach1 vergrößert, und -
3 einen gegenüber der, Darstellung in2 noch einmal stark vergrößerten Ausschnitt eines elektromagnetischen Steuerventils nach dem Stand der Technik. - Das in
1 gezeigte Einspritzventil eines Hochdruckspeichereinspritzsystems für eine Verbrennungskraftmaschine weist ein Gehäuse1 auf. Im unteren Bereich des Einspritzventils ist eine Ventilnadel20 gelagert, durch deren Axialbewegung ein Einspritzloch24 gegenüber einem Hochdruckraum21 freigegeben werden kann und somit eine Einspritzung erfolgt. Der Hochdruckraum21 steht über Kanäle in dem Gehäuse1 mit einem Hochdruckanschluß22 in Verbindung. Die Steuerung der Bewegung der Düsennadel20 erfolgt über einen Elektromagneten10 , dessen Magnetanker11 mit einem Ventilstellglied12 fest verbunden ist. Das Ventilstellglied12 ist Teil eines Steuerventils, welches durch den Elektromagneten10 betätigt wird. Die Funktion dieses elektromagnetisch betätigten Steuerventils wird anhand der Vergrößerung nach2 erklärt. - In
2 sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie in1 versehen. Das Ventilstellglied12 ist im wesentlichen pilzförmig gestaltet, wobei der Pilzschaft als Ventilstange16 ausgebildet ist, die vom Bereich des Pilzhutes bis zu einer Dichtfläche17 reicht, in die eine Fluiddurchtrittsöffnung14a aus einem Steuerdruckraum14 mündet. Der Durchmesser der Ventilstange16 ist so gewählt, daß die Stirnfläche die Fluiddurchtrittsöffnung14a gerade überdeckt und somit auf der Dichtfläche17 einen Dichtsitz ausbildet. Es ist leicht erkennbar, daß die Länge der Ventilstange16 ein Vielfaches ihrers Durchmessers beträgt. Der Steuerdruckraum14 steht über eine Drosselbohrung mit dem Hochdruckkanalsystem des Einspritzventils in Verbindung. Das Ventilstellglied12 ist durch die Ventilstange16 in einer oberen Führungsbüchse15o und einer unteren Führungsbüchse15u gehäuseseitig axial verschieblich gelagert. Dabei ist die untere Führungsbüchse15u so angeordnet, daß nur ein geringer Abstand zwischen dem unteren Ende der Ventilstange16 , welches als Stellglieddichtfläche16a ausgebildet ist, und der Unterkante der unteren Führungsbüchse15u verbleibt. Der dort entstehende Ringraum18 steht mit einem Niederdruckfluidanschluß19 des Einspritzventils in Verbindung. In der in2 gezeigten Schließstellung des elektromagnetischen Steuerventils schließt die Ventilstange16 mit ihrer Stellglieddichtfläche16a die Fluiddurchtrittsbohrung14a ab. Ein im Bereich des Pilzhutes des Stellglieds12 die Ventilstange16 konzentrisch umgebender Ringbund ist als Stellgliedanschlagfläche12a ausgebildet und ruht auf der oberen Planfläche der Büchse15o . In der gezeigten Schließstellung des elektromagnetischen Steuerventils wird das Ventilstellglied12 zusammen mit dem Magnetanker11 von einer nicht näher dargestellten Druckfeder belastet, die das Stellglied12 auf die Dichtfläche17 und gleichzeitig auf die Oberseite der oberen Führungsbüchse15o preßt, welche als Referenzanschlag für die Stellgliedanschlagfläche12a des Stellgliedes12 dient. Wird der Elektromagnet10 bestromt, dann zieht der Magnetanker11 gegen die Kraft der Druckfeder das Ventilstellglied12 nach oben, so daß die Fluiddurchtrittsbohrung14a freigegeben wird und damit ein Druckabfall im Steuerdruckraum14 entsteht, der ein Anheben der Ventilnadel20 und damit eine Einspritzung bewirkt. Bei Abschalten des Stroms schlägt unter der Kraft der Druckfeder das Ventilstellglied12 zusammen mit dem Magnetanker11 nach unten. Dabei wirkt die im Vergleich zur Stellglieddichtfläche16a der Ventilstange16 sehr viel größere Stellgliedanschlagfläche12a des Stellgliedes12 als reine Dämpf- und Aufprallfläche zum Abbau der Massenkräfte von Magnetanker und Ventilstellglied. Die sehr viel kleinere Stellglieddichtfläche16a am unteren Ende der Ventilstange16 übernimmt die Funktion des Dichtsitzes, was aufgrund der geringen Flächen selbst bei extrem hohen Steuerdrücken mit großer Exaktheit und ohne die Gefahr von Leckagen erfolgt. - Diese Gefahr wird anhand der stark vergrößerten Darstellung nach
3 bei einem herkömmlichen Einspritzventil aufgezeigt. Ein solches Ventil ist ähnlich aufgebaut wie das in1 und2 gezeigte, jedoch mit dem Unterschied, daß die Fluiddurchtrittsöffnung14a , die mit dem Steuerdruckraum14 in Verbindung steht, bis zu einer, die Funktion einer Anschlag- und Dichtfläche aufweisenden Gehäusefläche13 geführt ist. Das Ventilstellglied12 ist wiederum pilzförmig ausgebildet, hat jedoch nicht die erfindungsgemäße Ventilstange16 . Um die Dämpf- und Aufprallwirkung des Ventilstellglieds12 nicht zu gering werden zu lassen, ist der Durchmesser e der Dichtsitz- und Aufprallfläche deutlich größer gewählt als der Durchmesser der Fluiddurchtrittsbohrung14a . Dabei muß die Gefahr in Kauf genommen werden, daß infolge eines Winkelfehlers f, d. h. einem Abweichen der Dicht- und Anschlagfläche vom exakt rechten Winkel gegenüber der Längsachse des Ventilstellglieds12 auch im angeschlagenen Zustand des Ventilstellglieds12 ein minimaler Spalt s verbleibt, der einen dauerhaften Druckabfall im Hochdruckbereich14 zur Folge hat.
Claims (10)
- Einspritzventil für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem elektromagnetisch betätigten Steuerventil, welches mittels eines Ventilstellgliedes (
12 ) alternativ eine einer Dichtfläche (13 ,17 ) zugeordnete Fluiddurchtrittsöffnung (14a ) verschließt oder freigibt und dadurch den Druck in einem mit der Durchtrittsöffnung verbundenen Steuerdruckraum (14 ) steuert, wobei das von Elektromagneten (10 ). betätigte Ventilstellglied (12 ) zusätzlich zu einer Stellglieddichtfläche (16a ), die mit der Dichtfläche (17 ) der Fluiddurchtrittsöffnung (14a ) zusammenwirkt, eine Stellgliedanschlagfläche (12a ) aufweist, die mit Abstand von der Stellglieddichtfläche (16a ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilstellglied (12 ) eine Ventilstange (16 ) mit der Stellglieddichtfläche (16a ) aufweist, und dass die Ventilstange (16 ) bei der Schließbewegung eine vorgegebene elastische Stauchung erfährt. - Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilstange (
16 ) in Bezug auf den Abstand zwischen der Dichtfläche (17 ) und dem Anschlag für die Stellgliedanschlagfläche (12a ) eine Überlänge besitzt, die dem Maß der elastischen Stauchung entspricht. - Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgliedanschlagfläche (
12a ) wesentlich größer ist als die Stellglieddichtfläche (16a ). - Einspritzventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieddichtfläche (
16a ) die Stirnseite der vom Ventilstellglied (12 ) ausgebildeten Ventilstange (16 ) ist. - Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilstellglied (
12 ) im wesentlichen pilzförmig gestaltet ist, wobei der Pilzschaft die Ventilstange (16 ) bildet und die Stellgliedanschlagfläche (12a ) ein im Bereich des Pilzhutes die Ventilstange (16 ) konzentrisch umgebender Ringbund ist. - Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilstellglied (
12 ) zweigeteilt ist (Teilfuge120 ) in einen die Stellgliedanschlagfläche (12a ) aufweisenden Stellgliedanschlag und die die Stellglieddichtfläche (16a ) aufweisende mit dem Stellgliedanschlag in Wirkverbindung stehende Ventilstange (16 ). - Einspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellgliedanschlag im wesentlichen pilzförmig gestaltet ist, wobei die Stellgliedanschlagfläche (
12a ) eine im Bereich des Pilzfußes an der Ventilstange (16 ) anschlagende Stirnfläche ist. - Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilstange (
16 ) in Führungsbüchsen (15o ,15u ) axialbeweglich geführt ist. - Einspritzventil nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Führungsbüchse (
15u ) in geringem Abstand der Stellglieddichtfläche (16a ) der Ventilstange angeordnet ist. - Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Ventilstange (
16 ) ein Vielfaches ihres Durchmessers ist.
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