DE4344191C1 - Steuerventil für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für eine Kraftstoffeinspritz­ vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solches gattungsgemäßes Steuerventil ist in der DE 34 27 421 A1 offenbart.

Steuerventile für Kraftstoffeinspritzvorrichtungen von Dieselmotoren dienen zur Steuerung des Einspritzintervalls, also des Einspritzbe­ ginns und -ende. Eine präzise Steuerung des Einspritzintervalls ist notwendig für die kraftstoffeffiziente, schadstoffarme Leistungsent­ faltung eines Dieselmotors. Hierzu ist vom Steuerventil ein genügend großer Strömungsquerschnitt vom hochdruckseitigen zum niederdrucks­ eitigen Ventilbereich zu öffnen und zu schließen, so daß der dadurch beeinflußte Druckabfall bzw. -anstieg Einspritzende bzw. Einspritzbe­ ginn steuert. Die Kürze der Zeitspanne, mit der das Steuerventil von der Öffnung in die Schließstellung und zurück wechseln kann, ist entscheidend für die Präzision der Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Die Masse des bewegbaren Ventilkörpers sowie dessen Hub und die für die Hubbewegung zur Verfügung stehende Stellkraft sind die be­ stimmenden Einflußgrößen für die Zeitspanne der Ventilreaktion. Die geforderten kurzen Ventilreaktionszeiten bedingen bei relativ großem Hub eine hohe Ventilgeschwindigkeit, die beim Aufprall des Ventil­ körpers auf den Ventilsitz Schwingungen des Ventilkörpers verursachen, die stark streuende Einspritzintervalle zur Folge haben. Eine genaue Regelung des Spritzvorganges ist somit nicht mehr mög­ lich. Zudem kann die hohe Aufprallenergie des Ventilkörpers langfri­ stig zu Schädigungen des Ventilsitzes führen.

Um negative Einflüsse der Schwingungen des Ventilkörpers auf die Einspritzcharakteristik zu vermeiden, wird in der DE 34 27 421 A1 vorgeschlagen, dem gehäuseseitigen Ventilsitz eine Hinterschneidung vorzulagern, so daß die Verbindung vom niederdruck- zum hochdruck­ seitigen Anschluß noch vor Auftreffen des Ventilkörpers auf den Ven­ tilsitz geschlossen wird. Eine noch erfolgende Rückbewegung des Ventilkörpers vom Ventilsitz soll somit keinerlei Einfluß auf die wirksame Schließstellung des Ventilkörpers haben.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Steuerventil anzugeben, bei dem Schwingungen weitgehend un­ terbleiben, so daß die damit zusammenhängenden Probleme vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im gekennzeichneten Teil angegebenen Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß die in der Ventil- und Gehäusedichtfläche eingebrachten Durchbrüche die Länge der Dichtlinien entlang der Dichtflächen vergrößert, so daß der Hub des Ventilkörpers bei gleichbleibendem Öffnungsquerschnitt, der für eine geforderte Durchströmungsmenge notwendig ist, reduziert werden kann. Die Folge hiervon ist bei gleichbleibenden Ventilreaktions­ zeiten eine verminderte Ventilgeschwindigkeit, wodurch Schwingungen des Ventilkörpers unterbleiben. Weitere vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen zum Patentanspruch 1.

Eine alternative, erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ergibt sich durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 6.

Die alternative Ausbildung hat den Vorteil, daß durch die vielnut- oder zahnförmige Ausbildung der Ventil- und Gehäusedichtfläche sich die Länge der Dichtlinie deutlich vergrößert, so daß bei gleichblei­ bendem Öffnungsquerschnitt des Steuerventils der Hub des Ventil­ körpers reduziert werden kann. Sofern die Ventilreaktionszeiten un­ verändert bleiben, kann daher die Ventilgeschwindigkeit entsprechend reduziert werden. Die Gefahr unerwünschter Schwingungen des Ventilkörpers wird somit entscheidend reduziert. Eine Verdrehsiche­ rung stellt sicher, daß die Dichtflächen während des Betriebes stets konturgetreu fluchten, wodurch ein zuverlässiges Schließen des Steu­ erventils gewährleistet wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1a einen Teillängsschnitt eines Steuerventils mit pilzkopf­ förmigem Ventilkörper in Offenstellung,

Fig. 1b einen Querschnitt durch den pilzförmigen Ventilkörper,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Längsschnittes gemäß Fig. 1a im Bereich der Ventil- und Gehäusedichtfläche,

Fig. 3 einen Längsschnitt eines Steuerventils in Flachsitzbauweise gemäß Stand der Technik,

Fig. 4a einen Längsschnitt des Steuerventils mit zackenförmigem Schließkopf,

Fig. 4b einen Querschnitt durch den Ventilkörper gemäß Fig. 4a,

Fig. 5a eine Seitenansicht eines Ventilköpers mit vielnutförmigem Schließkopf und

Fig. 5b einen Querschnitt durch den vielnutförmigen Schließkopf gemäß Fig. 5a.

Das in Fig. 1 gezeigte Steuerventil 1 dient zur Steuerung von Ein­ spritzbeginn und -ende in Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, indem der unter Hochdruck stehende Kraftstoffstrom durch Ableiten in einen Expansionsraum drucklos gemacht wird, so daß der stromaufwärts des Steuerventils 1 einsetzende Druckabfall eine Beendigung des Einspritz­ vorganges bewirkt. Bei der in Fig. 1a gezeigten Offenstellung des im Gehäuseraum 2 des Steuerventils 1 axialbewegbaren Ventilkörpers 3, fließt der unter Hochdruck stehende Kraftstoffstrom K über einen hochdruckseitigen Anschluß 4a vom Gehäuseraum 2 an den Dichtflächen 5 und 6 des Ventilkörpers 3 bzw. des Ventilgehäuses 7 vorbei und über den niederdruckseitigen Anschluß 4a des Gehäuseraumes 2 in einen nicht weiter dargestellten Expansionsraum ab.

Der im Gehäuseraum 2 zwischen einer Schließ- und Öffnungsstellung hin- und herbewegbare pilzförmige Ventilkörper 3 ist drehsymmetrisch ausgebildet und weist am Ende eines Ventilschaftes 8 einen daran angebrachten radial zur axialen Bewegungsrichtung ausgewählten Schließkopf 9 auf. Ventilschaftseitig ist am Schließkopf 9 die kreis­ ringförmige, senkrecht zur Ventillängsachse A sich erstreckende Ven­ tildichtfläche 5 ausgebildet. Durch planes Auffliegen der Ven­ tildichtfläche 5 auf die im Ventilsitz 10 des Ventilgehäuses 7 ausge­ bildete Gehäusedichtfläche 6 erfolgt eine Sperrung des Kraftstoff­ stromes K vom hochdruckseitigen Anschluß 4a zum niederdruckseitigen Anschluß 4b. Das Auffliegen der beiden Dichtflächen 5 und 6 definiert somit die Schließstellung des Ventilkörpers 3. Der gehäuseseitige Ventilsitz 10 mit seiner ebenfalls ringförmigen und senkrecht zur Ventillängsachse K sich erstreckenden Gehäusedichtfläche 6 ist als Absatz im Gehäuseraum 2 ausgebildet. Im niederdruckseitigen Anschluß des Ventilsitzes 10 ist der Gehäuseraum 2 als Bohrung 11 ausgeführt und bildet zusammen mit dem Ventilschaft 8 ein Stück weit in axialer Länge einen achskonzentrischen Radialspalt 12 aus. In weiterer axia­ ler Verlängerung vom Ventilsitz 10 entfernt, verjüngt sich die Boh­ rung 11 zur Führung des Ventilschaftes 8. Zur Abführung des Kraft­ stoffstromes K aus dem Radialspalt 12 bei Offenstellung des Ventil­ körpers 3, zweigen vom Radialspalt 12 die niederdruckseitigen An­ schlüsse 4b ab.

Wie in den Fig. 1b und 2 deutlich sichtbar, weist jeweils die Gehäuse- und Ventildichtfläche 6 bzw. 5 zwei achskonzentrische, kreisringförmige Nuten 13 auf, die die Dichtflächen 5 bzw. 6 durch­ brechend in Einzeldichtflächen unterteilen. Im Nutgrund münden je­ weils zahlreiche Kanäle 14a und 14b, wobei die Kanäle 14a des Ventil­ körpers 3 den Schließkopf 9 jenseits der Ventildichtfläche 5 durch­ dringen. Die ventilsitzseitigen Kanäle 14b stehen mit den nieder­ druckseitigen Anschlüssen 4b in Verbindung. Die Nuten 13a und 13b sind dabei derart radial voneinander beabstandet, daß bei Schließ­ stellung des Ventilkörpers 3 die Nuten 13a des Schließkopfes 9 von der Gehäusedichtfläche 6 dichtend abgeschlossen werden und die Nuten 13b des Ventilsitzes 10 entsprechend von der Ventildichtfläche 5 dichtend abgeschlossen werden. Die Nuten 13a und 13b mit den Kanälen 14a, b bewirken bei Öffnungsstellung des Ventilkörpers 3 eine erheb­ liche Vergrößerung des Durchströmungsquerschnittes des Sperrventils 1 gegenüber einem Sperrventil 1′ in Flachsitzbauweise wie in Fig. 3 gezeigt und dem Stand der Technik entsprechend, da bei Offenstellung des Ventilkörpers 3 nicht nur die am Umfang des Schließkopfes 9 sich auftuende Durchströmungsfläche wirksam wird, die sich aus dem Umfang des Schließkopfes 9 multipliziert mit dem Hub h des Ventilkörpers 3 ergibt, sondern mit Öffnen des Ventilkörpers 3 die Kanäle 14a und 14b einen zusätzlichen Strömungsquerschnitt für das Abfließen des Kraft­ stoffstromes K freigeben. Ein Vergleich des erfindungsgemäßen Steuer­ ventils 1 (siehe Fig. 2) mit dem Steuerventil 1′ gemäß Stand der Technik (siehe Fig. 3) zeigt, daß bei gleichem Durchmesser d bzw. d′ der Schließköpfe 9 bzw. 9′ der Hub h des erfindungsgemäßen Steuer­ ventils 1 kürzer ausfallen kann, um die gleiche Durchströmungsfläche zu bieten.

In den Fig. 4a und 4b ist eine alternative Ausführung des Steuer­ ventils 1 gezeigt, bei dem der Schließkopf 9′′ eine zacken- oder sternförmige Außenkontur aufweist. Entsprechend weist die Ven­ tildichtfläche 5′′ auf der Stirnseite des Schließkopfes 9′′ eine zacken- bzw. sternförmige Kontur auf. Der als separates, scheiben­ förmiges Bauteil ausgeführte Ventilsitz 10′′, welcher im Ventilgehäuse 7′′ befestigt ist, weist an seiner zum Schließkopf 9′′ gewandten Stirn­ seite eine Gehäusedichtfläche 6′′ mit ebenfalls zacken- bzw. sternförmi­ ger Kontur auf. In seiner Kontur ist die Gehäusedichtfläche 6′′ auf die Kontur der Ventildichtfläche 5′′ derart abgestimmt, daß in Schließstellung des Ventilkörpers 3′′ die beiden Dichtflächen 5′′ und 6′′ dichtend aufeinander aufliegen und somit den zackenförmigen Durch­ bruch 15′′ durch den Ventilsitz 10′′ abschließt, so daß kein Kraftstoff vom hochdruckseitigen Anschluß 4a′′ über den Gehäuseraum 2′′ am Ven­ tilsitz 10′′ vorbei zum niederdruckseitigen Abschluß 4b′′ abfließen kann. Bezogen auf den Durchmesser d′′ des Schließkopfes 9′′ verlängert sich die Dichtlinie aufgrund der zerklüfteten Dichtflächen 5′′ und 6′′. Bei Beibehaltung einer gegenüber dem Stand der Technik (siehe Fig. 3) gleichbleibenden Strömungsfläche kann der Hub h′′ des Ventilkörpers 3′′ gegenüber dem Steuerventil 1′ nach Fig. 3 verringert werden. Um eine Verdrehung des Ventilkörpers 3′′ gegenüber dem Ventilgehäuse 7′′ und eine damit einhergehende Undichtigkeit in Schließstellung zu vermeiden, ist der vom Ventilsitz 10′′ abgewandt erstreckende Ventil­ schaft 8′′ mit einer Führungsnut 16′′ versehen, in welche eine im Ven­ tilgehäuse 7′′ angebrachte Nase 17′′ eingreift.

Eine weitere Variante des Ventilkörpers 3 ist in den Fig. 5a und 5b gezeigt. Der Schließkopf 9 des Ventilkörpers 3 weist eine keilwel­ lenförmige Kontur auf, die sich durch ringstückförmige Aussparungen 18 am Umfang des Schließkopfes 9 ergeben. Die sich hierdurch erge­ bende zerklüftete Umfangslinie am Schließkopf 9 bildet eine gegen­ über dem Kreisumfang verlängerte Dichtlinie. Die sich zur Stirnseite hin erstreckende Aussparung 18 gibt der Ventildichtfläche 5 die keilwellenförmige Kontur. Entsprechend ist die Gehäusedichtfläche 6 des nicht weiter dargestellten aber ansonsten zur Fig. 4a ähnlichen Ventilgehäuses 7 keilwellenförmig ausgebildet.

Claims (9)

1. Steuerventil für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, welches ein Ventilgehäuse mit Ventilsitz und einen im Gehäuseraum zwischen einer Schließ- und Öffnungsstellung axial bewegbaren Ventilkörper mit Schließkopf aufweist, wobei am Schließkopf (9) und am Ven­ tilsitz (10) gegenüberliegende, zusammenwirkende Ventil- bzw. Ge­ häusedichtflächen (5 bzw. 6) ausgebildet sind und der Gehäuseraum (2) einerseits des Ventilsitzes (10) mit einem niederdruck- und andererseits mit einem hochdruckseitigen Anschluß (4b bzw. 4a) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtflächen (5, 6) jeweils mindestens einen Durchbruch (13a, b; 14a, b) aufweisen, wo­ bei der ventilsitzseitige Durchbruch (13b, 14b) niederdruck- oder hochdruckseitig im Gehäuseraum (2) mündet und in Schließstellung die Ventildichtfläche (5) auf der Gehäusedichtfläche (6) dichtend aufliegt, und dabei die jeweils gegenüberliegenden Durchbrüche (13a, b; 14a, b) dichtflächenseitig abschließen.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die achsnormale Ventildichtfläche (5) an der zum Ventilsitz (10) zuge­ wandten Stirnseite des Schließkopfes (9) kreis- oder kreisringför­ mig und die Gehäusedichtfläche (6) kreisringförmig ausgebildet sind und die Dichtflächen (5, 6) konzentrisch zur Ventillängsachse (A) angeordnet sind.

3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließkopf (9) eine kegel- oder kegelabschnittförmige Kontur aufweist, wobei am Kegelmantel die Ventildichtfläche (5) ausge­ bildet ist und die Gehäusedichtfläche (6) der Ventilkörperdicht­ fläche (5) entsprechend kegelabschnittförmig ausgeführt ist.

4. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Durchbrüche (13a, b; 14a, b) als kreisring- oder kreisringstückförmige Nuten (13a, b) ausgeführt sind, die konzen­ trisch zum Ventilsitz bzw. zum Schließkopf (9) die Dichtflächen (5, 6) durchdringen und unterteilen.

5. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ventilsitz- und schließkopfseitigen Durch­ brüche (13a, b; 14a, b) über Kanäle (14a, b) zum Zu- bzw. Abführen von Kraftstoff mit dem Gehäuseraum (2) hoch- bzw. niederdruckseitig in Verbindung stehen.

6. Steuerventil für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, welches ein Ventilgehäuse (7) mit Ventilsitz (10) und einen im Gehäuseraum (2) zwischen einer Schließ- und Öffnungsstellung axial bewegbaren Ven­ tilkörper (3) mit Schließkopf (9) aufweist, wobei am Schließkopf (9) und am Ventilsitz (10) gegenüberliegende, zusammenwirkende Ventil- bzw. Gehäusedichtflächen (5 bzw. 6) ausgebildet sind und der Gehäuseraum (2) einerseits des Ventilsitzes (10) mit einem niederdruck- und andererseits mit einem hochdruckseitigen Anschluß (4b bzw. 4a) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließ­ kopf (9) vielnut- oder zahnprofilförmig ausgebildet ist und die Dichtflächen (5, 6) eine entsprechende vielnut- oder zahnförmige Außenkontur aufweisen, wobei in Schließstellung die Dichtflächen (5,6) konturgetreu aufeinanderliegen und eine Führung (16) ein Verdrehen des Ventilkörpers (3) gegenüber dem Ventilgehäuse (7) verhindert.

7. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gehäuseraum (2) im Anschluß an den Ventilsitz (10) nieder- oder hochdruckseitig als konzentrischer, axial er­ streckender Radialspalt (12) zwischen Ventilgehäuse (7) und Ven­ tilschaft (8) ausgeführt ist.

8. Steuerventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (10) mit dem den Radialspalt (12) aufweisenden Teil des Gehäuseraums (2) als separates Bauteil ausgeführt ist.

9. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ventilsitz (10) als separates, scheiben­ förmiges Bauteil ausgeführt ist, welches stirnseitig auf einem radial sich erstreckenden Absatz des Ventilgehäuses (7) aufliegt und befestigt ist.