DE4238727C2 - Magnetventil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Magnetventil nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einem solchen aus der EP 0 309 797 B1 bekannten Magnetventil, daß zur Steuerung des Durchgangs einer Verbindung zwischen einem Hochdruckraum und einem Niederdruckraum ein von einem Elektromagneten entgegen der Kraft einer Rückstell­ feder bewegtes Ventilglied aufweist, das in einer Führungsbohrung des Ventilgehäuses axial geführt ist, wird der Durchtrittsquer­ schnitt durch das Abheben einer auf dem Ventilglied angeordneten Kegelfläche von einem konischen Ventilsitz im Ventilgehäuse ge­ bildet, wobei jeweils ober- und unterhalb des Ventilsitzes ein Ringraum in das Ventilgehäuse eingearbeitet ist, in den jeweils die Hochdruck- oder Niederdruckleitung mündet. Das Ventilglied in Form eines Hohlzylinders ist dabei über einen Stößel mit einem Flachanker verbunden, auf den der Elektromagnet wirkt. Das Verschließen des Durchgangsquerschnittes zwischen Hoch- und Niederdruckraum erfolgt dabei durch das Aufsetzen einer, durch den Übergang der Kegelfläche zur zylinderförmigen Mantelfläche gebildeten Dichtkante am Ventil­ glied auf die Fläche des konischen Ventilsitzes, wobei der Durchgangsquerschnitt zwischen der Kegelfläche des Ventilgliedes und dem Ventilsitz so ausgeführt ist, dass bereits zu Beginn des Öffnungshubs ein möglichst großer Öffnungsquerschnitt rasch aufsteuerbar ist, der sich im weiteren Verlauf des Öffnungshubs stetig vergrößert.

Dabei hat der Durchtrittsquerschnitt des bekannten Einspritzventils den Nachteil, dass an der Dichtkante und im Durchtrittsquerschnitt zwischen der Kegelfläche des Ventilgliedes und dem Ventilsitz infolge der hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Druck des Fluids unter den Dampfdruck sinkt und Dampfblasen bzw. Hohlräume entstehen, die im weiteren Verlauf bei Berührung mit einer Wand implodieren und Kavitationsschäden verursachen, die zu einem starken Verschleiß des Magnetventils und zu dessen Ausfall führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten Nachteile zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Magnetventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Magnetventil hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die Anordnung einer, der Dichtkante stromabwärts nachgeschalteten Drosselstelle im Bereich des Durchtrittsquerschnitts ein Absinken des örtlichen Drucks des Fluids unter den Dampfdruck und damit eine Bildung von Hohlräumen und in deren Folge Kavitationsschäden vermieden werden können. Diese Drosselwirkung ist dabei insbesondere zu Beginn des Öffnungshubs wirksam und verringert sich im weiteren Verlauf des Öffnungshubs, bei dem sich auch die Differenzen der Strömungsgeschwindigkeiten vor und nach dem Durchtrittsquerschnitt, sowie in dessen Bereich verringern. Dabei ist es gemäss Anspruch 2 besonders vorteilhaft, diese Drossel durch eine Drosselstrecke im Bereich des Durchtrittsquerschnitts zwischen der Kegelfläche des Ventilgliedes und dem Ventilsitz zu bilden, was durch die Ausführung der Kegelfläche mit einem nur geringfügig größeren Winkel zur Achse des Ventilgliedes gegenüber dem Ventilsitz erreicht wird, wobei der Umfangsradius des Durch­ trittsquerschnittes zu Beginn des Öffnungshubs von der Dichtkante in Richtung Achse des Ventilgliedes sehr viel schneller kleiner wird als die Spalthöhe zunimmt, so daß sich der Durchtrittsquerschnitt zunächst verringert und so als Drossel wirkt.

Um bei Magnetventilen größerer Bauart und über einen längeren Zeit­ raum des Öffnungshubs eine sichere Drosselwirkung zu erreichen, ist es zudem gemäß Anspruch 3 und 5 vorteilhaft, innerhalb des Durch­ trittsquerschnitts eine Querschnittserweiterung und anschließende Verringerung anzuordnen, wobei ein labyrinthartiger Übergang erzielt wird, der die Abströmgeschwindigkeit und somit die Kavitations­ neigung verringert.

Für eine Fortsetzung der Drosselwirkung auch bei voll geöffnetem Durchtrittsquerschnitt ist gemäß Anspruch 4 dem Durchtrittsquer­ schnitt eine Spaltdrosselstrecke nachgeschaltet, die durch einen Ringspalt zwischen der zylinderförmigen Mantelfläche des Ventil­ gliedes und der diese umgebenden Wand des Ventilkörpers gebildet wird. Somit wird die anfänglich wirkende Drosselstrecke in weiterer Folge durch eine Drosselstrecke mit ringförmigem Querschnitt ergänzt, die dabei den Vorteil hat, daß deren Drosselwirkung vom Öffnungshub des Ventilgliedes unabhängig bleibt. Nach Anspruch 5 kann statt dieser Drosselstrecke oder auch ergänzend dazu zusätzlich eine im ersten Öffnungshubbereich wirkende Drosselstrecke mit eben­ falls ringförmigen Querschnitt vorgeschaltet werden.

Ein weiterer Vorteil kann gemäß Anspruch 6 erreicht werden, wenn innerhalb des Ventilgliedes zum Druckausgleich eine mit einem Niederdruckraum verbundene Axialbohrung angeordnet ist und von dieser eine in den Übergangsbereich zwischen Diffusordrossel und Spaltdrossel mündende Bohrung ausgeht, so daß ein Teil der beim Öffnungshub innerhalb der Axialbohrung verdrängten Fluidmenge in diesen Übergangsbereich einströmt und so evtl. auftretende Hohlräume von der Wand des Ventilkörpers fernhält und in ungefährdete Bereiche wegspült.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Vier Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Magnetventil, die Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Fig. 1 in der ein erstes Ausführungsbeispiel der Drosselstrecke in Form eines Diffusors dargestellt ist, die Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel analog zur Darstellung der Fig. 2, in dem die Drosselstrecke durch eine Ringnut unterbrochen ist, die Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel analog zur Fig. 3, in dem der Drossel­ strecke eine ringspaltförmige Drossel nachgeschaltet ist und die Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem eine von einer Axialbohrung im Ventilglied ausgehende Bohrung in den Bereich einer Spaltdrossel mündet.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in der Fig. 1 im Längsschnitt dargestellten Magnetventil, dessen Beschreibung sich auf die erfindungswesentlichen Bauteile beschränkt, ist ein mehrteiliger Ventilkörper in ein Ventilgehäuse 3 eingesetzt, bestehend aus einem Ventilkörperteil 1 und einem auf dieses aufgesetztem Flansch 5, der einen Rohransatz 7 aufweist. Dabei weist der Ventilkörperteil 1 am Ende einer als Führungsbohrung 9 dienenden Stufenbohrung eine Sackbohrung 31 mit dem kleineren Durchmesser der Stufenbohrung auf und der Rohranschluß 7 einen Stufenbohrungsteil mit größerem Durchmesser der weitergeführten Führungsbohrung 9, in der ein als Kolben mit gestuftem Durchmesser ausgeführtes Ventilglied 11 axial verschiebbar geführt ist. Der Ventilkörperteil 1 weist dabei an seiner dem Flansch 5 zugewandten Stirnseite einen konischen Ventilsitz 13 auf, der zur Achse der Führungsbohrung 9 geneigt ist. Mit diesem Ventilsitz 13 wirkt eine durch einen konischen Übergang des Außendurchmessers des im Flansch 5 geführten Teils des Kolbens 11 zu einer Ringnut 10 am Ventilglied 11 entstandene Kegelfläche 15 zusammen, deren Kegelwinkel gering­ fügig, vorzugsweise im Bereich von 0,5-1 Grad, größer ist als der Kegelwinkel der Ventilsitzfläche 13, so daß das Ventilglied 11 mit einer durch den scharfkantigen Übergang zwischen der zylinder­ förmigen Mantelfläche des im Flansch 5 geführten Teils des Ventil­ gliedes 11 und der Kegelfläche 15 entstandenen Dichtkante 17 zur Anlage an den konischen Ventilsitz 13 des Ventilkörperteils 1 gelangt. Das Ventilglied 11 weist auf seinem jenseits vom Ventilsitz 13 aus der Führungsbohrung 9 im Bereich des Flanschs 5 heraus­ ragenden Ende einen Flachanker 19 auf, der über eine durch einen Absatz entstandene Ringschulter 21 mit einem, den Rohransatz 7 des Flansches 5 ringförmig umgebenden Elektromagneten 23 zusammenwirkt. Der Elektromagnet 23 ist dabei in einer Nut 22 einer in das Ventil­ gehäuse 3 eingesetzten und dort einen Deckel bildenden Hülse 25 geführt, die zudem die elektrischen Anschlüsse 27 aufnimmt, die ihrerseits über elektrische Leitungen 29 mit dem Elektromagneten 23 verbunden sind.

Auf die dem Elektromagneten 23 abgewandte Stirnseite 30 des Ventilgliedes 11 wirkt eine in dem die Sackbohrung 31 bildenden Teil der Führungsbohrung 9 im Ventilkörperteil 1 angeordnete Rückstell­ feder 33, die das Ventilglied bei stromlosem Zustand des Elektro­ magneten 23 in der Öffnungsposition hält, in der die Dichtkante 17 von dem Ventilsitz 13 abgehoben ist.

Zur Begrenzung der Hubbewegung des Ventilgliedes 11 ist in axialer Verlängerung zu diesem ein zylinderförmiges Anschlagstück 35 in die Hülse 25 eingesetzt, die mit ihrer dem Ventilglied 11 zugewandten Stirnseite einen dessen Öffnungshub begrenzenden Anschlag 37 bildet. Die Schließbewegung des Ventilgliedes 11 bei erregtem Elektro­ magneten 23 wird durch das Aufsetzen der Dichtkante 17 auf den Ventilsitz 13 begrenzt.

Die Zufuhr des unter hohem Druck stehenden Fluids, insbesondere Kraftstoff erfolgt über einen Hochdruckkanal 39, der stirnseitig am geschlossenen Ende des Ventilkörperteils 1 eintritt und in einen ersten Ringraum 41 mündet, der durch eine Ausnehmung im Flansch 5 gebildet wird und der andererseits von der äußeren den Ventilsitz 13 aufweisenden Stirnseite des Ventilkörperteils 1 begrenzt wird. Der Durchtrittsquerschnitt zwischen dem Ventilsitz 13 und der Kegel­ fläche 15 des Ventilglieds 11 bildet dabei einen Durchgangsquer­ schnitt 42 für den abströmenden Kraftstoff, wobei der Kraftstoff nach Passieren dieses Durchgangsquerschnitts 42 durch einen Ring­ spalt 44, der zwischen der zylindrischen Wand der sich an die Kegel­ fläche 15 anschließenden Ringnut 10 des Ventilgliedes 11 und der Wand der sich an den Ventilsitz 13 anschließenden Führungsbohrung 9 gebildet wird, abströmt. Die Abfuhr des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffes nach dem Passieren der Ventilsitzfläche 13 und des Ringspaltes 44 bei geöffnetem Magnetventil erfolgt über einen Niederdruckkanal 43, der von einer an den Ringspalt 44 angrenzenden einen zweiten Ringraum 45 bildenden Ringnut im Ventilkörperteil 1 ausgeht und in einen Niederdruckanschluß 47 mündet.

Für einen Druckausgleich am Ventilglied 11 weist dieses zudem eine axiale Durchgangsbohrung 49 auf, die sich in eine Sackbohrung 51 im Anschlagstück 35 fortsetzt, die ihrerseits in einen unter niedrigem Kraftstoffdruck stehenden, das Anschlagstück 35 sowie den Elektro­ magneten 23 umgebenden Ventilraum 55 mündende Radialbohrungen 53 aufweist, so daß auch bei Anlage des Ventilglieds 11 an das Anschlagstück 35 eine Verbindung zwischen der die Rückstellfeder 33 aufnehmenden Sackbohrung 31 und dem Ventilraum 55 gewährleistet ist. Die Fig. 2 bis 5 zeigen einen in der Fig. 1 mit einem gestri­ chelten Kreis dargestellten Ausschnitt aus dem Magnetventil, der den erfindungsgemäßen Verlauf des Durchgangsquerschnitts 42 mit Übergang in den zweiten Ringraum 45 vergrößert in verschiedenen Ausführungs­ varianten zeigt.

Dabei ist in der Fig. 2 der Dichtkante 17, die bei geschlossenem Magnetventil auf der Ventilsitzfläche 13 aufsitzt, eine diffusor­ förmige Drosselstrecke 60 stromabwärts nachgeschaltet, die durch den aus der Fig. 1 bekannten geringen Winkelunterschied zwischen dem Ventilsitz 13 am Ventilkörper 1 und der Kegelfläche 15 am Ventil­ glied 11 gebildet wird. Diese Drosselstrecke 60 ist in ihrer Länge so dimensioniert, daß zu Beginn des Öffnungshubs der Durchgangsquer­ schnitt 42 stromabwärts abnimmt, wozu der Umfangsradius des wirk­ samen Durchgangsquerschnitts 42, ausgehend vom größten Radius an der Dichtkante 17, in Richtung Ringspalt 44 sehr viel schneller abnimmt, als die Spalthöhe zwischen beiden Kegelflächen 13, 15 zunimmt. Durch die Drosselwirkung des abgesteuerten Kraftstoffs sofort im Anschluß an die Dichtkante 17 und im Durchgangsquerschnitt 42 wird dort eine schnelle und gleichmäßige Strömung vermieden, so daß der Druckunterschied gegenüber dem Ringraum 41 gering gehalten werden kann und nicht unter den Dampfdruck absinkt.

Da die Drosselwirkung der Drosselstrecke 60 hauptsächlich auf einen geringen Öffnungsquerschnitt, d. h. auf den Beginn des Öffnungshubs beschränkt bleibt, ist dieser der Ringspalt 44 mit einem fließenden Übergang nachgeschaltet, der in den zweiten Ringraum 45 mündet und dessen Drosselwirkung mit zunehmender Abströmgeschwindigkeit des über den geöffneten Durchgangsquerschnitt 42 abströmenden Kraft­ stoffes zunimmt.

Die Fig. 3 und 4 unterscheiden sich zur Ausführung der Fig. 2 in der Ausgestaltung der Drosselstrecke 60.

Dabei weist die Kegelfläche 15 des Ventilgliedes 11 in der Fig. 3 als Drosselstelle eine umlaufende Nut 62 auf, die in die Kegelfläche 15 oder die Ventilsitzfläche 13 eingearbeitet ist und die einen großen Öffnungsquerschnitt bildet, der sich am Ende des Durchtritts­ querschnitts 42 jedoch wieder auf das entsprechend dem Differenz­ winkel vorhandene Spaltmaß zwischen der Kegelfläche 15 des Ventil­ gliedes 11 und der Ventildichtfläche 13 des Ventilkörperteils 1 verringert und so auch bei einem größeren Öffnungshub eine sichere Drosselwirkung bewirkt.

In der Fig. 4 ist die Drosselstelle durch eine umlaufende Aus­ nehmung 64 in der Kegelfläche 15 des Ventilgliedes 11 gebildet und weist eine zu dessen Achse radial verlaufende Begrenzungswand und eine zur Kolbenachse koaxial verlaufende zylindrische Wand 66 auf, die sich im weiteren Verlauf bei auf dem Ventilsitz 13 aufsitzendem Ventilglied 11 über einen Teil der sich an den kegelförmigen Ventil­ sitz 13 anschließenden zylindrischen Wand des Ventilkörperteils 1 unter Bildung des Ringspalts 44 über einen Absatz 68 fortsetzt. Bei dem in der Fig. 5 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel ist eine nach unten in Richtung Rückstellfeder 33 geneigte, von der Kegelfläche 15 weggerichtete Bohrung 70 so in das Ventilglied 11 eingebracht, daß sie von der mit dem Ventilraum 55 verbundenen axialen Durchgangsbohrung 49 ausgehend in den Übergangsbereich zwischen der trichterförmigen Drosselstrecke 60 und dem Ringspalt 44 in den Durchtrittsquerschnitt mündet. Dabei kommt es während der Hubbewegung des Ventilgliedes 11 zu einer Volumenausgleichsströmung über diese Bohrung 70, die insbesondere beim Öffnungshub ein Ein­ strömen von Kraftstoff in den Ringspalt 44 verursacht, der dabei einen dem abgesteuerten Kraftstoff entgegenströmenden Film an der Wand des Ventilgliedes 11 bildet, wodurch ein Auftreffen des Strahls auf die Wand verhindert wird. Auf diese Weise können entstandene Restluftblasen nicht an den gefährdeten Flächen innerhalb des Durch­ trittsquerschnitts implodieren und werden weggespült.

Mit den beschriebenen Maßnahmen ist es somit ohne zusätzlichen Bau­ teilaufwand möglich, Kavitationsschäden am Durchtrittsquerschnitt des Magnetventils zu vermeiden, wobei diese Maßnahmen auch an nicht elektrisch betätigten Sitzventilen zur Anwendung kommen können.

Claims (7)

1. Magnetventil zur Steuerung des Durchgangs einer Verbindung zwischen einem zumindest zeitweise auf Fluidhochdruck gebrachten Hochdruckraum, insbesondere einem Pumpenarbeitsraum einer Kraft­ stoffeinspritzpumpe und einem Niederdruckraum, mit einem in ein Ventilgehäuse (3) eingesetzten Ventilkörper (1) und einer darin angeordneten Bohrung, in der ein Ventilschließglied (11) in Form eines Kolbens von einem Elektromagneten (23) entgegen der Kraft einer Rückstellfeder (33) verschiebbar ist, wobei der Kolben aus­ gehend von einer kreiszylindrischen Mantelfläche sich über eine Kegelfläche (15) zu einem verringerten Durchmesser verjüngt, wobei die Kegelfläche mit einem kegelförmigen, einen die kreiszylindrische Mantelfläche des Kolbens umgebenden Hochdruckraum mit einem den verringerten Durchmesser des Kolbens umgebenden Niederdruckraum verbindenden Ventilsitz (13) am Ventilkörper (1) zusammenwirkt, dessen Kegelwinkel kleiner ist, als der Kegelwinkel der Kegelfläche (15) des Kolbens, so daß der Kolben über eine am Übergang zwischen seiner zylinderförmigen Mantelfläche und der Kegelfläche (15) ent­ standene Dichtkante (17) mit dem Ventilsitz (13) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkante (17) in der Überström­ richtung vom Hochdruckraum zum Niederdruckraum eine mit Beginn des Öffnungshubs wirksam werdende Drosselstelle nach­ geschaltet ist.

2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle durch eine Drosselstrecke (60) im Überdeckungsbereich zwischen der Kegelfläche (15) des Kolbens und der Ventilsitzfläche (13) gebildet wird, wobei der Winkel der Kegelfläche (15) des Kolbens geringfügig größer ist, als der Winkel der Ventilsitzfläche (13) so dass der Durchtrittsquerschnitt zwischen der Kegelfläche (15) des Kolbens und der Ventilsitzfläche (13) über den gesamten Umfang in Überströmrichtung zum Niederdruckraum zu Beginn des Öffnungshubs stetig abnimmt.

3. Magnetventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Kegelfläche (15) des Kolbens 0,5 bis 1 Grad größer als der Winkel der Ventilsitzfläche (13) ist.

4. Magnetventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Drosselstrecke (60) zwischen der Kegelfläche (15) des Kolbens und der Ventilsitzfläche (13) eine umlaufende Nut (62) in die Kegelfläche (15) oder die Ventilsitzfläche (13) eingearbeitet ist.

5. Magnetventil nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Durchtrittsquerschnitt zwischen der Kegelfläche (15) und der Ventilsitzfläche (13) eine Spaltdrossel nachgeschaltet ist, die durch einen Ringspalt (44) zwischen dem verringerten Durchmesser des Kolbens und der angrenzenden Wand des Ventilgehäuses gebildet wird, der in den Niederdruckraum mündet.

6. Magnetventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung in der Kegelfläche (15) des Kolbens angeordnet ist und eine zu dessen Achse radial verlaufende Begrenzungswand und zur Kolbenachse koaxiale zylindrische Wand (66) aufweist, die sich im weiteren Verlauf bei auf dem Ventilsitz (13) aufsitzendem Ventil­ schließglied (11) über einen Teil der sich an die kegelförmige Ventilsitzfläche (13) anschließenden zylindrischen Wand des Ventil­ körpers (1) unter Bildung eines kreisringförmigen drosselnden Ring­ spalts (44) erstreckt.

7. Magnetventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben eine mit dem Niederdruckraum verbundene Axialbohrung (51) aufweist, von der eine Bohrung (70) ausgeht, die andererseits in den Übergangsbereich zwischen der Drosselstrecke (60) und dem Ringspalt (44) mündet und durch die während des Öffnungshubs des Kolbens Kraftstoff in den Ringspalt (44) einströmt.