EP0999360A1 - Steuerventil für Dosiervorrichtung für Fluid - Google Patents

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EP0999360A1
EP0999360A1 EP99121902A EP99121902A EP0999360A1 EP 0999360 A1 EP0999360 A1 EP 0999360A1 EP 99121902 A EP99121902 A EP 99121902A EP 99121902 A EP99121902 A EP 99121902A EP 0999360 A1 EP0999360 A1 EP 0999360A1
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EP
European Patent Office
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valve
fluid
sealing element
chamber
control valve
Prior art date
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Application number
EP99121902A
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English (en)
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Inventor
Andreas Dr. Kappel
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • F02M63/0045—Three-way valves

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for Valve control in a metering device for fluid.
  • a metering device for fluid with a control valve is known, for example for high-pressure injection of diesel (see, for example, K. Prescher, W. Bauer, W. Schafflitz: common-rail injection systems with speed-independent characteristics and high injection pressure - a future potential for the diesel engine VDI Verlag, 15th International Vienna Motor Symposium April 28-29, 1994, Row 12).
  • a conventional control valve is constructed so that a fluid inlet and a fluid outlet open into a valve chamber.
  • the fluid drain can be closed by means of a sealing element, for example by resting the sealing element on a valve seat of the fluid drain.
  • the mode of operation of the control valve consists in the rapid release of the largest possible flow cross-section between the fluid inlet and the fluid outlet, so that the pressure in a working chamber connected to the control valve, in which a piston is movably arranged, also decreases rapidly.
  • a conventional control valve the problem arises that at a high pressure of the fluid (typically 500 bar2500 bar with a diesel injector) a high force is required to actuate the control valve, which requires a correspondingly powerful drive.
  • a high pressure of the fluid typically 500 bar2500 bar with a diesel injector
  • control valve Since the control valve not only relieves, but also to be opened quickly, the force exerted for opening must be significantly higher. At the same time, the high force with which the control valve is loaded in the closed state results in a high mechanical load on the valve seat. A reduction in the dimensions of the control valve has strict limits for fluidic and mechanical strength reasons. In addition, the imprint of a high actuation force is associated with a not inconsiderable mechanical loss due to a deformation of the components exposed to pressure.
  • the object of the present invention is a Control valve for a metering device for fluid with a to provide improved switchability.
  • the idea of the invention essentially consists in arranging the sealing element axially displaceably in a housing bore opening into the valve chamber, wherein it can be pressed in a sealing manner onto a valve seat of the drain.
  • the sealing element is arranged in the housing bore either in a fluid-tight manner or subject to leakage.
  • a valve tappet is guided through the outlet, through the stroke of which the sealing element can be displaced at least within the valve chamber. The valve tappet thus controls the opening and closing of the control valve.
  • an inlet pressurized with fluid opens into the valve chamber, so that when the outlet is open, a fluid flow occurs from the inlet through the valve chamber into the outlet.
  • the control valve can be used for all types of fluids be, for example for liquids such as water, gasoline and diesel, or for gases such as B. methane, alcohol or Air.
  • the present invention has the advantage that in the closed state, ie when the sealing element closes the drain, the force on the sealing element can be adjusted in the axial direction.
  • the magnitude of an axially acting force is advantageously adjustable in both directions.
  • a pressure balance of the sealing element also advantageously results in less influence on the stroke of the control valve by pressure waves.
  • the present invention enables a larger diameter of the valve seat and thus a lower load due to the lower mechanical stress.
  • valve seat of the drain is specially matched to a sealing head of the sealing element.
  • the valve seat is preferably conical in the case of a rounded or conical sealing head It is also advantageous if the housing bore on its side facing away from the sealing element is provided with a return line that is as unpressurized as possible, so that leaking fluid can be removed through the fit between the sealing element and the bore.
  • the restoring element is attached within the valve chamber.
  • the valve chamber is as small as possible. In this case, it is advantageous to mount the reset element outside the valve chamber. Furthermore, it is advantageous if the valve seat and the sealing element are designed such that there is a high sealing contact surface between the sealing element and the housing.
  • Both fluids and fuels can be used as also gases like methane, butane or air.
  • control valve is not just for control an injector, but to control general Dosing devices suitable, for example for atomization on surfaces or for cooling.
  • Figure 1 is a sectional side view conventional 2/2-way control valve shown.
  • a valve chamber 4 is present in a valve housing 5, in which a sealing element 2 is located.
  • the sealing element 2 is by means of a return element 3 in the form of a compression spring on the mouth of an outlet designed as valve seat 6 9 pressed into the valve chamber 4.
  • the valve seat 6 has a diameter at its contact with the sealing element 2 dv on.
  • valve chamber 4 is through an inlet opening into it 10 pressurized with fluid F.
  • the inlet 10 is with a Flow throttle 7 equipped.
  • Through the outlet 9 protrudes Valve tappet 1, which rests on the sealing element 2.
  • the distance between valve lifter 1 and outlet 9 is so far executed that the fluid F through without significant throttling this fit can drain off; the valve lifter 1 is so fluidly permeable through the outlet 9.
  • the valve housing 5 settles for easier manufacture composed of an upper part 501 and a lower part 502.
  • the sealing element In the closed state, the sealing element is through the Reset element 3 and the pressure of the fluid F on the sealing element 2 pressed onto the valve seat.
  • the valve lifter 1 is either lifted off the sealing element 2 or presses with one generally comparatively little force on the sealing element 2.
  • the sealing element 2 is fluid-sealing on the valve seat 6.
  • the pressure P of the fluid F in the valve chamber 4 is at a maximum and corresponds to that at the inlet 10 pressure applied.
  • valve lifter 1 of a - not shown - drive in the direction of the valve chamber 4 moved so that the sealing element 2 in the valve chamber is pushed into it.
  • the associated lifting the sealing element 2 from the valve seat 6 becomes a flow cross section of procedure 9 released, through which the Pressure fluid F from the valve chamber 4 in the discharge without pressure or under a low pressure 9 drains away.
  • a pressure drop for example, a the inlet 10 connected hydraulic or mechanical-hydraulic System is controllable.
  • the balance of power on Sealing element 2 is now essentially by the restoring element 3 and the valve lifter 1 determined.
  • valve tappet 1 To close the control valve, valve tappet 1 is closed moves the drive, not shown, back to its starting position, whereby the sealing element 2 by hydraulic Forces and the force exerted by the restoring element in the valve seat 6 is moved back.
  • the reset element 3 also serves the purpose of lowering the control valve Pressure of the fluid F in the valve chamber 4 closed and to keep tight.
  • the flow restrictor 7 influences the pressure build-up in the valve chamber 4 or the pressure reduction at a Inlet 10 connected hydraulic system.
  • Figure 2 shows a sectional side view schematically an embodiment of a control valve according to the invention.
  • the end surface facing away from the valve chamber 4 also stands the sealing element 2 in connection with an unpressurized Return line 16.
  • the sealing element 2 is composed of a sealing head 201, by means of which the outlet 9 can be closed, and a piston rod 202, which is firmly connected thereto and which is arranged in the bore 14 so as to be axially displaceable.
  • the diameter ds of the piston rod 202 is selected so that it corresponds to the diameter dv of the valve seat 6.
  • FIG. 3 another embodiment is shown schematically as a sectional side view, in which the sealing head 201 is designed as a poppet valve.
  • the valve lifter 1 and the sealing element 2 form a unit.
  • the restoring element 3 is articulated outside the valve chamber 4 on the valve tappet 1, for example by means of a snap ring or a Seeger ring, so that the sealing element 2 is pulled onto the valve seat 6 and is not pressed.
  • This arrangement achieves a reduction in the size of the valve chamber 4 which is advantageous for the dynamics of the control of the control valve, while on the other hand a larger space requirement of the control valve has to be accepted.
  • the piston rod 202 of the sealing element 2 with leakage over the length L of the fit between Piston rod 202 and housing 5 out.
  • Figure 4 shows the use of that shown in Figure 2 Control valve as part of a servo valve controlled high pressure diesel injector.
  • a drive housing 11 contains a working piston 13, a coupling rod 19, a nozzle needle spring 18 and a nozzle needle 17 within a bore.
  • the working piston 13 forms with the drive housing 11 on its side facing away from the coupling rod 19 a working chamber 12 which is pressurized with a fluid supply line filled with fluid F. 8 is connected via an inlet throttle 24.
  • the working chamber 12 is fluidly connected to the inlet 10 of the valve chamber 4.
  • the bore of the drive housing 11 is expanded in the form of a spring chamber 15 at the level of the coupling rod 19.
  • the nozzle needle spring 18 which is articulated to the coupling rod 19 and presses it in the direction of the nozzle needle 17.
  • a fluid chamber 22 is present on the nozzle needle 17 and is in fluid communication with at least one injection nozzle 23 via a wide fit between the nozzle needle 17 and the drive housing 11.
  • the control valve In the initial state, the control valve is closed, i.e. that the sealing element 2 rests on the valve seat 6 in a sealing manner.
  • This builds up in the valve chamber 4 and the inlet 10 the pressure of the fluid F at maximum, namely to that of the fluid supply line 8 delivered pressure.
  • This maximum Pressure is also present in the fluid-filled working chamber 12, so that the nozzle needle by this pressure force of the working piston 13 17 via the coupling rod 19 onto a nozzle sealing seat 21 presses and so seals the at least one injection opening 23.
  • the nozzle needle 17 is additionally by the nozzle needle spring 18 pressed into the nozzle sealing seat 21.
  • the nozzle needle spring 18 carries essentially to ensure a safe closure of the injection nozzles 23 at a low pressure of the fluid F in the Fluid feed line 8 at.
  • both the valve chamber 4 between the fit of piston rod 202 and housing 5 leaking fluid F dissipated as well as by the fit between Working piston 13 and drive housing 11 and between Nozzle needle 17 and drive housing 11 in the spring chamber 15 leaking fluid F.
  • the sealing element 2 is by means of of the valve lifter 1 pressed into the valve chamber 4 and thus opens the drain 9 opposite the valve chamber 4.
  • fluid F flows out of the valve chamber 4 and out of the Inlet 10 via the outlet 9, so that the pressure in the Valve chamber 4 and the inlet 10 drops. This also decreases the pressure in the working chamber 12, so that the associated Force on the working piston 13 also drops. If the Pressure of the fluid F in the working chamber 12 has dropped so far is that the force he exerts along with that of the Nozzle needle spring 18 is less than the force exerted Pressure exerted in the fluid chamber 22 on the nozzle needle 17, so the working piston 13, the coupling rod 19th and the nozzle needle 17 moved in the direction of the working chamber 12. As a result, the nozzle needle 17 lifts from the nozzle sealing seat 21, whereby fluid F from the fluid chamber 22 through the wide fit between nozzle needle 17 and drive housing 11 through the at least one injection nozzle 23 metered into the Outside space is given.
  • Such an injector is e.g. B. suitable for fuel injection into an internal combustion engine or a turbine.
  • the control valve is due to its good switching properties at high pressure in the fluid supply line 8, typically 500 bar to 2000 bar, preferably used in a direct injection, z. B. in a gasoline or diesel direct injection (for example by means of a common high-pressure line, so-called. Common Rail ").
  • the switching element is not restricted to these applications, but can be used for all types of fluids F.
  • Figure 5 shows a plot of the force on the sealing element 2 in Newtons against the pressure in the valve chamber 4 of the figure 2 and 3 shown control valves in bar.
  • the diameter dv of the valve seat 6 is 2 mm.
  • As a narrow dash is the force on an overcompensated sealing element 2 (av ⁇ as).
  • the throttling effect of the fit between the piston rod 202 and hole 14 may be significantly larger than that Throttling effect of the flow restrictor 7.
  • piston rod 202 Due to the small diameter of the piston rod 202 of typically 2 mm and with a common in injection technology Fit for piston rod 202 with a radial Game of 3 microns can meet this requirement with a relative short length L of the throttling fit between the piston rod Reach 202 and valve housing 5.
  • the piston rod 202 has the effect that the opening force of the fluid F on the sealing element 2 does not become so great that fluid F leaks out of the valve chamber 4.
  • the valve tappet (1) is withdrawn from the valve chamber 4, so that the sealing element 2 is lifted off the sealing seat 6.
  • the valve lifter 1 presses the sealing element 2 back onto the outlet 9.

Abstract

Steuerventil in einer Dosiervorrichtung für Fluid, aufweisend Ventilkammer (4), in die ein mit Fluid (F) beaufschlagbarer Zulauf (10), ein Ablauf (9) und eine Gehäusebohrung (14) münden, ein Dichtelement (2), das in der Gehäusebohrung (14) axialverschiebbar angeordnet ist und welches fluidisch dichtend auf einen Ventilsitz (6) des Ablaufs (9) preßbar ist, einen durch den Ablauf (9) fluidisch durchlässig geführten Ventilstößel (1), durch den das Dichtelement (2) verschiebbar ist, ein Rückstellelement (3), durch welches das Dichtelement (2) auf den Ventilsitz (6) preßbar ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ventilsteuerung in einer Dosiervorrichtung für Fluid.
Eine Dosiervorrichtung für Fluid mit einem Steuerventil ist bekannt, beispielsweise zur Hochdruck-Einspritzung von Diesel (siehe z.B. K. Prescher, W. Bauer, W. Schafflitz: Common-Rail Einspritzsysteme mit drehzahlunabhängiger Charakteristik und hohem Einspritzdruck - ein Zukunftspotential für den Dieselmotor. Fortschrittsberichte VDI Verlag, 15. Internationales Wiener Motorensymposium 28.-29. April 1994, Reihe 12).
Ein herkömmliches Steuerventil ist so aufgebaut, daß ein Fluidzulauf und ein Fluidablauf in eine Ventilkammer münden. Mittels eines Dichtelementes kann der Fluidablauf verschlossen werden, beispielsweise durch Auflage des Dichtelementes auf einen Ventilsitz des Fluidablaufs. Die Wirkweise des Steuerventils besteht aus der Ausgangsstellung heraus in einer schnellen Freigabe eines möglichst großen Strömungsquerschnittes zwischen Fluidzulauf und Fluidablauf, so daß sich der Druck in einer mit dem Steuerventil verbundenen Arbeitskammer, in der ein Kolben beweglich angeordnet ist, ebenfalls schnell abbaut.
Bei einem herkömmlichen Steuerventil ergibt sich das Problem, daß bei einem hohen Druck des Fluids (typischerweise 500 bar2500 bar bei einem Diesel-Einspritzer) eine hohe Kraft zur Betätigung des Steuerventils erforderlich ist, was einen entsprechend leistungsstarken Antrieb erforderlich macht.
Beispielsweise ergibt sich für ein nach Innen öffnendes Steuerventil bei einem Durchmesser des Ventilsitzes von dv = 2 mm und einem Druck p des Fluids in der Ventilkammer von 1500 bar eine hydraulische Schließkraft auf das Dichtelement von 471 N. Da das Steuerventil nicht nur entlastet, sondern auch schnell geöffnet werden soll, muß die zur Öffnung ausgeübte Kraft noch deutlich höher sein. Gleichzeitig resultiert aus der hohen Kraft, mit der das Steuerventil im geschlossenen Zustand belastet wird, eine hohe mechanische Belastung des Ventilsitzes. Einer Verkleinerung der Abmessungen des Steuerventils sind aus strömungstechnischen und mechanischen Festigkeitsgründen enge Grenzen gesetzt. Zudem ist die Aufprägung einer hohen Betätigungskraft mit einem nicht unbeträchtlichen mechanischen Verlust durch eine Verformung der druckausgesetzten Komponenten verbunden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Steuerventil für eine Dosiervorrichtung für Fluid mit einer verbesserten Schaltbarkeit bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 15 gelöst.
Die Idee der Erfindung besteht im wesentlichen darin, das Dichtelement in einer in die Ventilkammer mündenden Gehäusebohrung axialverschiebbar anzuordnen, wobei es dichtend auf einen Ventilsitz des Ablaufs preßbar ist. Das Dichtelement wird in der Gehäusebohrung entweder fluidisch dichtend oder leckagebehaftet angeordnet.
Dabei wird durch den Ablauf ein Ventilstößel geführt, durch dessen Hub das Dichtelement mindestens innerhalb der Ventilkammer verschiebbar ist. Durch den Ventilstößel wird somit ein Öffnen und Schließen des Steuerventils gesteuert. In die Ventilkammer mündet zudem ein mit Fluid druckbeaufschlagter Zulauf, so daß bei geöffnetem Ablauf ein Fluidstrom vom Zulauf durch die Ventilkammer in den Ablauf auftritt.
Das Steuerventil kann für alle Arten von Fluiden eingesetzt werden, beispielsweise für Flüssigkeiten wie Wasser, Benzin und Diesel, oder für Gase wie z. B. Methan, Alkohol oder Luft.
Die vorliegende Erfindung besitzt den Vorteil, daß im geschlossenen Zustand, d.h. wenn das Dichtelement den Ablauf verschließt, die Kraft in axialer Richtung auf das Dichtelement einstellbar ist. Dabei ist vorteilhafterweise außer einer Druckausgeglichenheit am Dichtelement in axialer Richtung auch die Größe einer axial wirkenden Kraft in beide Richtungen einstellbar.
Dadurch ist die zum Schalten des Steuerventils notwendige Kraft auf das Dichtelement wesentlich reduzierbar. Somit ist es möglich, auch bei einem hohen Fluiddruck in der Ventilkammer eine weite Palette von Stellantrieben zur Betätigung des Ventilstößels einzusetzen.
Durch eine Druckausgeglichenheit des Dichtelementes ergibt sich weiterhin vorteilhafterweise eine geringere Beeinflussung des Hubes des Steuerventils durch Druckwellen.
Günstigerweise wird durch die vorliegende Erfindung aufgrund der geringeren mechanischen Beanspruchung ein größerer Durchmesser des Ventilsitzes und damit eine geringere Belastung ermöglicht.
Zudem ergibt sich günstigerweise eine stärkere Entdrosselung des Steuerventils bei gleichem Hub des Dichtelementes. Vorteilhafterweise ergibt sich auch ein geringerer mechanischer Kompressionsverlust aufgrund des niedrigeren Öffnungskraftbedarfs.
Aufgrund eines größeren Ventilsitzdurchmessers und damit einer stärkeren Entdrosselung wird die Verwendung eines direkt angetriebenen Einspritzers ermöglicht.
Vorteilhafterweise ist der Ventilsitz des Ablaufs speziell auf einen Dichtkopf des Dichtelementes abgestimmt. Beispielsweise ist der Ventilsitz bei einem verrundeten oder kegelförmigen Dichtkopf bevorzugt konisch ausgeführt
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Gehäusebohrung an ihrer dem Dichtelement abgewandten Seite mit einer möglichst drucklosen Rückleitung versehen ist, so daß durch die Passung zwischen Dichtelement und Bohrung leckendes Fluid abführbar ist.
Zur Platzersparnis ist es vorteilhaft, wenn das Rückstellelement innerhalb der Ventilkammer angebracht ist.
Andererseits ist es zur Erzielung einer besseren Schaltdynamik vorteilhaft, wenn die Ventilkammer möglichst klein ist. In diesem Fall in eine Anbringung des Rückstellelementes außerhalb der Ventilkammer vorteilhaft.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Ventilsitz und das Dichtelement so ausgestaltet sind, daß sich eine hohe dichtende Auflagefläche zwischen Dichtelement und Gehäuse ergibt.
Als Fluide sind sowohl Flüssigkeiten wie Kraftstoffe (Benzin, Diesel, Kerosin, Alkohole etc.) und Wasser einsetzbar als auch Gase wie Methan, Buthan oder Luft.
Selbstverständlich ist das Steuerventil nicht nur zur Steuerung eines Einspritzers, sondern zur Steuerung von allgemeinen Dosiervorrichtungen geeignet, beispielsweise zur Zerstäubung auf Oberflächen oder zur Kühlung.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung schematisch näher dargestellt.
  • Figur 1 zeigt ein herkömmliches Steuerelement für einen Einspritzer,
  • Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerventils,
  • Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Steuerventils,
  • Figur 4 zeigt das erfindungsgemäße Steuerventil als Teil eines Einspritzers,
  • Figur 5 zeigt eine Wirkung des Steuerventils,
  • Figur 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Steuerventils.
    • In Figur 1 ist als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein herkömmliches 2/2-Wege-Steuerventil dargestellt.
    In einem Ventilgehäuse 5 ist eine Ventilkammer 4 vorhanden, in der sich ein Dichtelement 2 befindet. Das Dichtelement 2 wird mittels eines Rückstellelementes 3 in Form einer Druckfeder auf die als Ventilsitz 6 ausgeführte Mündung eines Ablaufs 9 in die Ventilkammer 4 gedrückt. Der Ventilsitz 6 weist an seinem Kontakt mit dem Dichtelement 2 einen Durchmesser dv auf.
    Die Ventilkammer 4 wird durch einen in sie mündenden Zulauf 10 mit Fluid F druckbeaufschlagt. Der Zulauf 10 ist mit einer Strömungsdrossel 7 ausgestattet. Durch den Ablauf 9 ragt ein Ventilstößel 1, der auf dem Dichtelement 2 aufliegt. Der Abstand zwischen Ventilstößel 1 und Ablauf 9 ist so weit ausgeführt, daß das Fluid F ohne signifikante Drosselung durch diese Passung abfließen kann; der Ventilstößel 1 wird also fluidisch durchlässig durch den Ablauf 9 geführt. Das Ventilgehäuse 5 setzt sich zur einfacheren Herstellung aus einem oberen Teil 501 und einem unteren Teil 502 zusammen.
    Im geschlossenen Zustand wird das Dichtelement durch das Rückstellelement 3 und den Druck des Fluids F auf das Dichtelement 2 auf den Ventilsitz gedrückt. Der Ventilstößel 1 ist entweder vom Dichtelement 2 abgehoben oder drückt mit einer im allgemeinen vergleichsweise geringen Kraft auf das Dichtelement 2. Dadurch liegt das Dichtelement 2 fluidisch dichtend auf dem Ventilsitz 6 auf. Der Druck P des Fluids F in der Ventilkammer 4 ist maximal und entspricht dem am Zulauf 10 anliegenden Druck.
    Während eines Öffnungsvorgangs wird der Ventilstößel 1 von einem - nicht dargestellten - Antrieb in Richtung der Ventilkammer 4 verschoben, so daß das Dichtelement 2 in die Ventilkammer hineinverschoben wird. Durch das damit verbundene Anheben des Dichtelementes 2 vom Ventilsitz 6 wird ein Strömungsquerschnitt des Ablaufs 9 freigegeben, über den das unter Druck stehende Fluid F aus der Ventilkammer 4 in den drucklosen oder unter einem geringen Druck stehenden Ablauf 9 abfließt. Dadurch stellt sich in der Ventilkammer 4 und im Zulauf 10 ein Druckabfall ein, über den beispielsweise ein an den Zulauf 10 angeschlossenes hydraulisches oder mechanischhydraulisches System steuerbar ist. Das Kräfteverhältnis am Dichtelement 2 wird nun im wesentlichen durch das Rückstellelement 3 und den Ventilstößel 1 bestimmt.
    Zum Schließen des Steuerventils wird der Ventilstößel 1 durch den nicht dargestellten Antrieb in seine Ausgangsposition zurückbewegt, wodurch das Dichtelement 2 durch hydraulische Kräfte und die von dem Rückstellelement ausgeübte Kraft in den Ventilsitz 6 zurückbewegt wird. Das Rückstellelement 3 dient darüber hinaus dem Zweck, das Steuerventil bei niedrigem Druck des Fluids F in der Ventilkammer 4 geschlossen und dicht zu halten. Die Strömungsdrossel 7 beeinflußt den Druckaufbau in der Ventilkammer 4 bzw. den Druckabbau an einem am Zulauf 10 angeschlossenen hydraulischen System.
    Figur 2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuerventils.
    Im Gegensatz zum herkömmlichen Steuerventil in Figur 1 mündet nun zusätzlich eine Bohrung 14 in die Ventilkammer 4, wobei das Dichtelement 2 leckagebehaftet über eine Länge L in der Bohrung 14 geführt wird. Die Größe der Leckage bzw. der Drosselung ist beispielsweise durch die Spaltbreite zwischen dem Dichtelement 2 und dem Gehäuse 1 und durch die Länge L des Dichtelementes 2 in der Bohrung 14 einstellbar.
    Weiterhin steht die der Ventilkammer 4 abgewandte Endfläche des Dichtelementes 2 in Verbindung mit einer drucklosen Rückleitung 16.
    Das Dichtelement 2 ist zusammengesetzt aus einem Dichtkopf 201, durch welchen der Ablauf 9 verschließbar ist, und einer damit fest verbundenen Kolbenstange 202, welche in der Bohrung 14 axial verschiebbar angeordnet ist. Der Durchmesser ds der Kolbenstange 202 ist so gewählt, daß er dem Durchmesser dv des Ventilsitzes 6 entspricht. Durch das Verhältnis der Querschnittsfläche as der Kolbenstange 202, nämlich as = π·ds2 4 zur Querschnittsfläche av des Ventilsitzes 6, nämlich av = π·dv2 4 , läßt sich die auf das Dichtelement 2 axial wirkende resultierende Kraft gezielt abstimmen. Bei der in diesem Ausführungsbeispiel auftretenden Flächengleichheit, d.h. av = as, wird auf einfache Weise ein vollständiger Druckausgleich am Dichtelement 2 herbeigeführt.
    In Figur 3 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel als Schnittdarstellung in Seitenansicht gezeigt, bei dem der Dichtkopf 201 als Tellerventil ausgeführt ist. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Figur 2 bilden der Ventilstößel 1 und das Dichtelement 2 eine Einheit. Zudem ist das Rückstellelement 3 außerhalb der Ventilkammer 4 am Ventilstößel 1 angelenkt, beispielsweise mittels eines Sprengrings oder eines Seeger-Rings, so daß das Dichtelement 2 auf den Ventilsitz 6 gezogen und nicht gedrückt wird.
    Durch diese Anordnung wird eine für die Dynamik der Steuerung des Steuerventils vorteilhafte Verkleinerung der Ventilkammer 4 erreicht, während andererseits ein größerer Platzbedarf des Steuerventils in Kauf genommen werden muß.
    Auch in dieser Figur wird die Kolbenstange 202 des Dichtelementes 2 leckagebehaftet über die Länge L der Passung zwischen Kolbenstange 202 und Gehäuse 5 geführt. Alternativ kann die Passung in der Bohrung 14 mittels mindestens eines am Dichtelement 2 angebrachten Abdichtmittels fluidisch dichtend ausgeführt sein, z. B. mittels eines Dichtringes.
    Figur 4 zeigt die Verwendung des in Figur 2 dargestellten Steuerventils als Teil eines servoventil-gesteuerten Hochdruck-Dieselinjektors.
    Ein Antriebsgehäuse 11 beinhaltet innerhalb einer Bohrung einen Arbeitskolben 13, eine Koppelstange 19, eine Düsennadelfeder 18 und eine Düsennadel 17. Der Arbeitskolben 13 bildet mit dem Antriebsgehäuse 11 auf seiner der Koppelstange 19 abgewandten Seite eine Arbeitskammer 12, welche mit einer mit Fluid F druckbefüllten Fluidzuleitung 8 über eine Zulaufdrossel 24 in Verbindung steht. Weiterhin ist die Arbeitskammer 12 an den Zulauf 10 der Ventilkammer 4 fluidisch angeschlossen.
    Die Bohrung des Antriebsgehäuses 11 ist in Höhe der Koppelstange 19 in Form eines Federraumes 15 erweitert. Im Federraum 15 befindet sich die Düsennadelfeder 18, die an die Koppelstange 19 angelenkt ist und diese in Richtung der Düsennadel 17 drückt.
    An der Düsennadel 17 ist eine Fluidkammer 22 vorhanden, die über eine weite Passung zwischen Düsennadel 17 und Antriebsgehäuse 11 fluidisch mit mindestens einer Einspritzdüse 23 in Verbindung steht.
    Im Ausgangszustand ist das Steuerventil geschlossen, d.h., daß das Dichtelement 2 auf dem Ventilsitz 6 dichtend aufliegt. Dadurch baut sich in der Ventilkammer 4 und dem Zulauf 10 der Druck des Fluids F maximal auf, nämlich auf den von der Fluidzuleitung 8 angelieferten Druck. Dieser maximale Druck liegt auch in der fluidgefüllten Arbeitskammer 12 an, so daß durch diese Druckkraft der Arbeitskolben 13 die Düsennadel 17 über die Koppelstange 19 auf einen Düsendichtsitz 21 preßt und so die mindestens eine Einspritzöffnung 23 abdichtet. Die Düsennadel 17 wird zusätzlich durch die Düsennadelfeder 18 in den Düsendichtsitz 21 gepreßt. Eine dazu entgegengesetzt gerichtete Kraft erfährt die Düsennadel 17 und damit der Arbeitskolben 13 durch den Druck des Fluids F in der Fluidkammer 22, der über einen weiteren Zweig der Fluidzuleitung 8 angeliefert wird. Die in Bewegungsrichtung druckbeaufschlagten Flächen 20 der Düsennadel 17 sind dabei kleiner als die dem Fluid F in der Arbeitskammer 12 ausgesetzte druckwirksame Fläche des Arbeitskolbens 13, der hier der die Arbeitskammer 12 begrenzenden Stirnfläche des Arbeitskolbens 13 entspricht.
    Allein aus dem Verhältnis der Stirnfläche des Arbeitskolbens 13 zu den druckbeaufschlagten Flächen 20 der Düsennadel 17 ergibt sich durch den gleichen Druck des Fluids F in der Arbeitskammer 13 und in der Fluidkammer 22 eine maximale Auslenkung von Arbeitskolben 13 und Düsennadel 17 auf die Einspritzdüse 23. Die Düsennadelfeder 18 trägt im wesentlichen zur Gewährleistung einer sicheren Verschlusses der Einspritzdüsen 23 bei einem geringen Druck des Fluids F in der Fluidzuleitung 8 bei.
    Über die Rückleitung 16 wird sowohl aus der Ventilkammer 4 zwischen der Passung von Kolbenstange 202 und Gehäuse 5 leckendes Fluid F abgeführt als auch durch die Passung zwischen Arbeitskolben 13 und Antriebsgehäuse 11 sowie zwischen Düsennadel 17 und Antriebsgehäuse 11 in den Federraum 15 leckendes Fluid F.
    Zur Betätigung des Einspritzers wird das Dichtelement 2 mittels des Ventilstößels 1 in die Ventilkammer 4 gedrückt und öffnet somit den Ablauf 9 gegenüber der Ventilkammer 4. Dadurch fließt Fluid F aus der Ventilkammer 4 und aus dem Zulauf 10 über den Ablauf 9 ab, so daß der Druck in der Ventilkammer 4 und dem Zulauf 10 absinkt. Dadurch sinkt auch der Druck in der Arbeitskammer 12, so daß die zugehörige Kraft auf den Arbeitskolben 13 ebenfalls absinkt. Wenn der Druck des Fluids F in der Arbeitskammer 12 so weit abgesunken ist, daß die von ihm ausgeübte Kraft zusammen mit der von der Düsennadelfeder 18 ausgeübten Kraft kleiner ist als die vom Druck in der Fluidkammer 22 ausgeübte Kraft auf die Düsennadel 17, so werden der Arbeitskolben 13, die Koppelstange 19 und die Düsennadel 17 in Richtung der Arbeitskammer 12 verschoben. Dadurch hebt sich die Düsennadel 17 vom Düsendichtsitz 21 ab, wodurch Fluid F aus der Fluidkammer 22 durch die weite Passung zwischen Düsennadel 17 und Antriebsgehäuse 11 durch die mindestens eine Einspritzdüse 23 dosiert in den Außenraum abgegeben wird.
    Zum Schließen des Einspritzers wird der Ventilstößel 1 von der Ventilkammer 4 zurückgezogen, so daß das Dichtelement 2 wieder auf den Ventilsitz 6 gedrückt wird. Dadurch steigt der Druck des Fluids F in der Ventilkammer 4, im Zulauf 10 und in der Arbeitskammer 12 wieder auf seinen maximalen, von der Fluidzuleitung angelieferten Wert an. Hierdurch wird die vom Fluid F in der Arbeitskammer 12 auf die druckwirksame Fläche des Arbeitskolbens 13 ausgeübte Kraft so groß, daß der Arbeitskolben, die Koppelstange und die Düsennadel 17 wieder von der Arbeitskammer 12 weg verschoben werden. Dadurch setzt die Düsennadel 17 wieder auf den Düsendichtsitz 21 auf und verschließt die Einspritzdüse 23 gegen die Fluidkammer 22. Eine Abgabe von Fluid F in den Außenraum wird unterbunden.
    Ein solcher Einspritzer ist z. B. geeignet für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor oder eine Turbine. Dabei wird das Steuerventil aufgrund seiner guten Schalteigenschaft bei hohem Druck in der Fluidzuleitung 8, typischerweise 500 bar bis 2000 bar, bevorzugt bei einer Direkteinspritzung eingesetzt, z. B. bei einer Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzung (beispielsweise mittels einer gemeinsamen Hochdruckleitung, sog.
    Figure 00110001
    Common-Rail").
    Das Schaltelement ist aber nicht auf diese Anwendungen eingeschränkt, sondern kann für alle Arten von Fluiden F eingesetzt werden.
    Figur 5 zeigt eine Auftragung der Kraft auf das Dichtelement 2 in Newton gegen den Druck in der Ventilkammer 4 der in Figur 2 und 3 dargestellten Steuerventile in bar. Der Durchmesser dv des Ventilsitzes 6 beträgt 2 mm.
    Als durchgezogene Linie ist eine Druck-Kraft-Kurve eines herkömmlichen Steuerventils (as = 0)aufgetragen. Der mit weiter Strichelung aufgetragene Graph zeigt die Kraft eines partiell druckausgeglichenen Dichtelementes 2 (av > as), und der als Strichpunkt vorliegende Graph die Kraft eines vollständig druckausgeglichenen Dichtelementes 2 (av = as). Als eng gestrichelt ist die Kraft auf ein überkompensiertes Dichtelement 2 (av < as) dargestellt.
    Damit eine ungewollte Beeinflussung des im Ausgangszustand in der Ventilkammer 4 herrschenden Druckniveaus ausgeschlossen werden kann, muß die Drosselwirkung der Passung zwischen Kolbenstange 202 und Bohrung 14 deutlich größer sein als die Drosselwirkung der Strömungsdrossel 7.
    Aufgrund des geringen Durchmessers der Kolbenstange 202 von typischerweise 2 mm und bei einer in der Einspritztechnik üblichen Passung für die Kolbenstange 202 mit einem radialen Spiel von 3 µm läßt sich diese Forderung schon mit einer relativ geringen Länge L der drosselnden Passung zwischen Kolbenstange 202 und Ventilgehäuse 5 erreichen.
    Aus dieser Figur wird deutlich, daß mittels einer Änderung der Fläche des Dichtelementes 2 in der Bohrung 14 die durch den Druck des Fluids F in der Ventilkammer 4 auf das Dichtelement 2 ausgeübte Kraft vorteilhafterweise in einem breiten Bereich einstellbar ist, z. B. teilkompensiert, druckausgeglichen oder überkompensiert.
    In Figur 6 ist als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine nach Außen öffnende Variante des erfindungsgemäßen Steuerventils dargestellt.
    Dabei ist das Dichtelement 2 außerhalb der Ventilkammer 4 in einer Absteuerkammer 25 als Erweiterung des Ablaufs 9 untergebracht. Das Rückstellelement 3 ist als eine innerhalb der Absteuerkammer 25 vorhandene Druckfeder realisiert, die das Dichtelement 2 auf einen an die Absteuerkammer 25 grenzenden Dichtsitz 6 des Ablaufs 9 drückt.
    Im Ausgangszustand wird durch die Kolbenstange 202 bewirkt, daß die Öffnungskraft des Fluids F auf das Dichtelement 2 nicht so groß wird, daß eine Leckage von Fluid F aus der Ventilkammer 4 heraus auftritt.
    Während eines Öffnungsvorgangs wird der Ventilstößel (1) von der Ventilkammer 4 zurückgezogen, so daß das Dichtelement 2 vom Dichtsitz 6 abgehoben wird.
    Zum Schließen drückt der Ventilstößel 1 das Dichtelement 2 wieder auf den Ablauf 9.

    Claims (18)

    1. Steuerventil in einer Dosiervorrichtung für Fluid, aufweisend
      eine in einem Gehäuse (5) befindliche Ventilkammer (4), in die ein mit Fluid (F) druckbeaufschlagbarer Zulauf (10), ein Ablauf (9) und eine Gehäusebohrung (14) münden,
      ein Dichtelement (2), das in der Gehäusebohrung (14) axialverschiebbar und leckagebehaftet angeordnet ist und welches fluidisch dichtend auf einen Ventilsitz (6) des Ablaufs (9) preßbar ist,
      einen durch den Ablauf (9) fluidisch durchlässig geführten Ventilstößel (1), durch dessen Hub das Dichtelement (2) verschiebbar ist,
      mindestens ein Rückstellelement (3), durch welches das Dichtelement (2) auf den Ventilsitz (6) preßbar ist.
    2. Steuerventil nach Anspruch 1, bei dem
      der Ventilsitz (6) an der Mündung des Ablaufs (9) in die Ventilkammer (4) gelegen ist.
    3. Steuerventil nach Anspruch 1, bei dem
      der Ventilsitz (6) an dem der Ventilkammer (4) abgewandten Ende des Ablaufs (9) gelegen ist.
    4. Steuerventil nach Anspruch 3, bei dem
      der Ventilsitz (6) innerhalb einer Absteuerkammer (25), welche eine Erweiterung des Ablaufs (9) ist, gelegen ist.
    5. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ventilstößel (1) und das Dichtelement (2) fest miteinander verbunden sind.
    6. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der das Dichtelement (2) aus einer in der Gehäusebohrung axialverschiebbar angeordneten Kolbenstange (202) und einem damit fest verbundenen Ventilkopf (201) besteht, wobei der Ventilkopf (201) auf den Ventilsitz (6) preßbar ist.
    7. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Rückstellelement (3) eine in der Ventilkammer (4) befindliche Druckfeder ist, welche sich am Gehäuse (5) und dem Dichtelement (2) abstützt.
    8. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem
      das Rückstellelement (3) eine außerhalb der Ventilkammer (4) befindliche Druckfeder ist, welche am Ventilstößel (1) angelenkt ist.
    9. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Zulauf (10) mit einer Strömungsdrossel (7) versehen ist.
    10. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Passung zwischen Dichtelement (2) und Gehäuse (5) in der Bohrung (14) mittels eines Abdichtmittels fluidisch abgedichtet ist.
    11. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Durchmesser (av) des Ventilsitzes (6) dem Durchmesser (as) des Dichtelementes (2) in der Bohrung (14) entspricht.
    12. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ventilkammer (4) mit Fluid (F) unter einem Druck von 500 bar bis 2000 bar beaufschlagbar ist.
    13. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Kraftstoff-Einspritzer.
    14. Steuerventil nach Anspruch 13, bei dem das Fluid (F) Diesel, Benzin oder Kerosin ist.
    15. Verfahren zur Ventilsteuerung in einer Dosiervorrichtung für Fluid, bei dem
      eine in einem Gehäuse (5) befindliche Ventilkammer (4) vorhanden ist, in die ein mit Fluid (F) druckbeaufschlagbarer Zulauf (10), ein Ablauf (9) und eine Gehäusebohrung (14) münden,
      ein Dichtelement (2) in der Gehäusebohrung (14) axialverschiebbar und leckagebehaftet angeordnet wird,
      einen durch den Ablauf (9) fluidisch durchlässig führbaren Ventilstößel (1), durch dessen Hub das Dichtelement (2) verschiebbar ist,
      das Dichtelement (2) mittels mindestens eines Rückstellelementes (3) auf einen Ventilsitz (6) des Ablaufs (9) gepreßt wird,
      wobei
      in Ausgangsstellung das Dichtelement (2) fluidisch dichtend auf den Ventilsitz (6) gedrückt wird, wobei der Druck des Fluids (F) in der Ventilkammer (4) maximal wird,
      während eines Öffnungsvorgangs das Dichtelement (2) mittels eines Hubs des Ventilstößels (1) vom Ventilsitz (6) abgehoben wird, so daß Fluid (F) aus der Ventilkammer (4) abfließt, wodurch der Druck des Fluids (F) in der Ventilkammer (4) und dem Zulauf (10) jeweils minimal wird,
      während eines Schließvorgangs das Dichtelement (2) wieder dichtend auf den Ventilsitz (6) gedrückt wird.
    16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem
      der Ventilsitz (6) an der Mündung des Ablaufs (9) in die Ventilkammer (4) vorhanden ist, so daß
      während des Öffnungsvorgangs der Ventilstößel (1) in Richtung der Ventilkammer (4) verschoben wird,
      während des Schließvorgangs der Ventilstößel (1) von der Ventilkammer (4) zurückgezogen wird.
    17. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem
      der Ventilsitz (6) an dem der Ventilkammer (4) abgewandten Ende des Ablaufs (9) vorhanden ist, so daß
      während des Öffnungsvorgangs der Ventilstößel (1) von der Ventilkammer (4) weg verschoben wird,
      während des Schließvorgangs der Ventilstößel (1) in Richtung der Ventilkammer (4) verschoben wird.
    18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem
      der Druck des Fluids (F) im Zulauf (10) in Ausgangsstellung 500 bar bis 2000 bar beträgt.
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