EP1416152B1

EP1416152B1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Druckmittelzuführung

Info

Publication number: EP1416152B1
Application number: EP20030021080
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Stoecklein; Dietmar Schmieder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2023-09-18
Also published as: DE50311603D1; DE10250722A1; EP1416152A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Druckmittelzuführung gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art, wie beispielsweise in GB 2 118 624 A offenbart.
Ventile der einleitend genannten Art sind aus der Praxis bekannt und weisen eine Druckübersetzung zum Verdichten von Kraftstoff von einem Zuführdruck auf einen Einspritzdruck auf. Die Druckübersetzung ist dabei mit druckübersetzten Kammern ausgeführt, die mit weiteren Komponenten zur Druckübersetzung und zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine kombiniert sind. Dazu wird einem Ventil von einem Druckmittelspeicher oder einer Druckmittelquelle, insbesondere einem Common-Rail-Bereich, Kraftstoff mit einem Zuführdruck bzw. einem Rail-Druck über eine Druckmittelzuführung zugeführt. Mittels der Druckübersetzung wird der mit Zuführdruck zugeführte Kraftstoff auf einen Hochdruck verdichtet und bei geöffnetem Ventil mit dem Hochdruck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt.
Die Druckübersetzung weist ein Kolbensystem auf, welches über ein Steuerventil ansteuerbar ist und mit dem bedarfsweise der Hochdruck bzw. Einspritzdruck erzeugt wird. Der Hochdruck liegt im Bereich einer Einspritzdüse des Ventiles an. Eine Ansteuerung des Steuerventiles erfolgt vorzugsweise über ein einen piezoelektrischen Aktuator, welcher einen Teil einer Aktuatorik des Ventiles darstellt.
Die Einspritzdüse und die Druckübersetzung des Ventils sind räumlich voneinander getrennt und müssen über Bohrungen und Kanäle im Ventilgehäuse miteinander verbunden werden, um den unter Hochdruck stehenden Kraftstoff von der Druckübersetzung zur Einspritzdüse führen zu können. Die Bohrungen und Kanäle werden phasenweise mit dem auf Hochdruck verdichteten Kraftstoff beaufschlagt, so daß das Ventilgehäuse sowie weitere die Kanäle und Bohrungen aufweisende Bauteile des Ventiles hochfest ausgelegt werden müssen, was nachteilhafterweise höhere Bauteilwandstärken erfordert und darüber hinaus einen hohen Dichtaufwand zwischen einzelnen Bauteilen des Ventiles verursacht.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, daß auf die in der Praxis verwendeten Bohrungen und Kanäle zum Führen des auf Hochdruck bzw. Einspritzdruck verdichteten Kraftstoffs von einer Druckübersetzung in einen Bereich, von dem aus der Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine durch den Düsenkörper hindurch aus dem Ventil gespritzt wird, weitestgehend verzichtet werden kann.
Dies wird dadurch erreicht, daß die Druckübersetzung des Ventiles, in welchem zugeführter Kraftstoff von einem Zuführdruck auf einen Hochdruck komprimiert wird, und der Bereich, der als Kraftstoffreservoir nahe den Einspritzöffnungen des Düsenkörpers angeordnet ist, räumlich nahe beieinander angeordnet sind und lange Verbindungswege im Ventil vermieden werden. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung des Volumens des Hochdruckbereiches des Ventiles, so daß der Dichtaufwand reduziert ist und nur wenig Bauteile des Ventiles gegenüber dem Hochdruck ausgeführt werden müssen.
Bei dem Ventil nach der Erfindung ist die Funktion der Einspritzdüse und die den Hochdruck erzeugende Druckübersetzung in einer konstruktiv kompakt ausgeführten Einheit kombiniert, so daß auch Leckverluste, welche sich negativ auf das Einspritzverhalten eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten auswirken, minimiert sind.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Vier Ausführungsbeispiele des Gegenstandes nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen

Figur 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung bei einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen im Längsschnitt,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Hochdruckbereich von einem Zwischendruckbereich durch ein Ventil getrennt ist,
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Position des Rückschlagventiles aus Figur 2 verändert ist, und
Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Hochdruckbereich des Ventils mit einem Nadelsteuerraum des Ventils verbunden ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bezug nehmend auf Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiels eines Ventils 1 zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Druckmittelzuführung 2 und einem Ventilelement 3 zum Steuern eines Drucks in einem Hochdruckbereich 4 dargestellt. Das Ventilelement 3 ist in einem Steuerraum 5 angeordnet, der zwei mit dem Ventilelement 3 zusammenwirkende Ventilsitze 6, 7 hat. Bei Anlage des Ventilelementes 3 an dem ersten Ventilsitz 6 ist der Steuerraum 5 von einem Niederdruckbereich 8 des Ventils 1 getrennt. Diese Stellung des Ventilelementes 3 ist in der Figur 1 dargestellt, wobei das Ventilelement 3 dann an dem ersten Ventilsitz 6 anliegt, wenn eine Betätigung des Ventilelementes 3 durch das als piezoelektrischer Aktuator ausgeführte Steuerelement unterbleibt und das Ventilelement 3 von einer Federkraft einer Feder 9 gegen den ersten Ventilsitz 6 gedrückt ist.
Das Steuerelement, welches beispielsweise auch als ein elektromagnetisches Antriebssystem ausgeführt sein kann, ist auf der dem Steuerraum 5 abgewandten Seite des ersten Ventilsitzes 6 angeordnet. Bei einer Bestromung des Steuerelementes wird das Ventilelement 3 von dem ersten Ventilsitz 6 abgehoben, wodurch der Steuerraum 5 mit dem Niederdruckbereich 8 verbunden wird. Des weiteren wird das Ventilelement 3 dichtend gegen den zweiten Ventilsitz 7 gedrückt, so daß der Steuerraum 5 von einem Ventilsteuerraum 10 getrennt ist. Da der Steuerraum 5 mit der Druckmittelzuführung 2 verbunden ist, ist der Ventilsteuerraum 10 bei Anlage des Ventilelementes 3 an dem zweiten Ventilsitz 7 ebenfalls von der Druckmittelzuführung 2 getrennt.
Der erste Ventilsitz 6 ist vorliegend als ein Kegelsitz ausgeführt, und die mit dem ersten Ventilsitz 6 zusammenwirkende Dichtfläche 11 des Ventilelementes 3 ist ballig bzw. kugelabschnittsförmig ausgeführt, so daß bei Anlage des Ventilelementes 3 an dem ersten Ventilsitz 6 zwischen dem ersten Ventilsitz 6 und der Dichtfläche 11 eine Linienberührung vorliegt.
Der zweite Ventilsitz 7 ist als ebene Fläche eines den Steuerraum 5 begrenzenden Bauteils 42 ausgeführt, welche mit einer ebenfalls ebenen Fläche bzw. Stirnfläche 12 des Ventilelements 3 zusammenwirkt.
Durch diese Ausgestaltung der beiden Ventilsitze 6, 7 und der Dichtflächen 11, 12 des Ventilelementes 3 ist gewährleistet, daß ein fertigungsbedingter axialer Versatz des ersten Ventilsitzes 6 gegenüber einem den Steuerraum 5 und den Ventilsteuerraum 10 verbindenden Kanal 13 die Dichtwirkung des Ventilelementes 3 nicht beeinträchtigt. Des weiteren ist gewährleistet, daß bei einer in axialer Richtung des Ventils 1 erfolgenden Betätigung des Ventilelementes 3 ein Versatz des Ventilelementes 3 quer zur Bewegungsrichtung des Ventilelementes 3 zwischen den beiden Ventilsitze 6 und 7 unterbleibt, so daß eine verzögerungsfreie Ansteuerung des Ventiles 1 sicher gegeben ist.
Der Ventilsteuerraum 10 ist von einer Ventilplatte 14 und einem Kolben 15 einer Druckübersetzung begrenzt, wobei der Kolben 15 mit seiner der Ventilplatte 14 zugewandten Stirnfläche 16 an der Ventilplatte 14 anliegt. Die Stirnfläche 16 des Kolbens 15 ist derart kugelförmig ausgeführt, daß der Kanal 13, welcher die Verbindung zwischen dem Ventilsteuerraum 10 und dem Steuerraum 5 darstellt, von dem Kolben 15 bei Anlage an der Ventilplatte 14 nicht verschlossen wird.
Der Kolben 15 ist vorliegend zweiteilig ausgeführt und besteht aus einem ersten mit einem größeren Durchmesser ausgeführten Teilkolben 17 und einem zweiten mit einem kleineren Durchmesser ausgeführten Teilkolben 18. Der erste Teilkolben 17 ist mit einer mittigen Sacklochbohrung 19 ausgeführt, in welche der zweite Teilkolben 18 eingeführt ist. Des weiteren ist der zweite Teilkolben 18 in eine Distanzhülse 20 gesteckt, welche über eine zwischen einem Bund 21 des zweiten Teilkolbens 18 und der Distanzhülse 20 angeordnete zweite Feder 22 gegen eine Düsennadel 23 des Ventils 1 gedrückt ist.
Der Bund 21 ist an jenem Ende des zweiten Kolbens 18 ausgebildet, welches durch die zweite Feder 22 gegen den Boden der Sacklochbohrung 19 des ersten Teilkolbens 17 gedrückt ist. Mit seinem dem Bund 21 abgewandten Ende ist der zweite Teilkolben 18 in einer Führungsbohrung 24 der Düsennadel 23 axial beweglich geführt. Der zweite Teilkolben 18 ist mit einer mittigen Durchgangsbohrung 25 ausgebildet, welche an dem Ende des Bundes 21 von dem ersten Teilkolben 17 verschlossen ist und an dem dem ersten Teilkolben 17 abgewandten Ende des zweiten Teilkolbens 18 in die Führungsbohrung 24 mündet.
An die Führungsbohrung 24 schließt sich ein koaxial zu dieser in der Düsennadel 23 ausgebildeter Verbindungskanal 26 an, der über eine Stichbohrung 27 mit einem Ringraum 28 verbunden ist. Der Ringraum 28 ist von einem Düsenkörper 29 und der Düsennadel 23 begrenzt. An seinem dem zweiten Teilkolben 18 abgewandten Ende liegt die Düsennadel 23 an einem Dichtsitz 30 des Düsenkörpers 29 an, so daß mehrere über den Umfang des Düsenkörpers 29 verteilt angeordnete Einspritzöffnungen 31 des Düsenkörpers 29 von der Düsennadel 23 geschlossen sind.
Die Düsennadel 23 ist im Düsenkörper 29 über einen ersten Führungsbereich 32 und einen zweiten Führungsbereich 33 axial längs beweglich und dichtend geführt, wobei zwischen dem ersten Führungsbereich 32 und dem zweiten Führungsbereich 33 ein von der Düsennadel 23 und dem Düsenkörper 29 begrenzter Nadelsteuerraum 34 ausgebildet ist. Der Nadelsteuerraum 34 ist über eine in dem Düsenkörper 29, einem Ventilkörper 35 und der Ventilplatte 14 verlaufende Verbindungsleitung 36 mit der Druckmittelzuführung 2 verbunden.
Des weiteren ist der Nadelsteuerraum 34 über den ersten Führungsbereich 32 gegenüber einer Längsbohrung 37 des Ventilkörpers 35, in welcher der erste Teilkolben 17 und der zweite Teilkolben 18 angeordnet sind, abgedichtet. Zusätzlich ist der Nadelsteuerraum 34 über den zweiten Führungsbereich 33 gegenüber dem Ringraum 28 abgedichtet, wobei in Abhängigkeit der vorliegenden Druckverhältnisse in dem Ventil 1 Leckageströme von dem Nadelsteuerraum 34 in Richtung des Ringraumes 28 bzw. der Längsbohrung 37 oder in entgegengesetzter Richtung fließen.
Die Längsbohrung 37 des Ventilkörpers 35 ist über einen in dem Düsenkörper 35, der Ventilplatte 14 sowie einem Ventilgehäuse 38 verlaufenden weiteren Verbindungskanal 39 permanent mit dem Steuerraum 5 verbunden.
Die Verbindung zwischen der Druckmittelzuführung 2 und dem Steuerraum 5 ist mit einer Zulaufdrossel 40 und einer Ablaufdrossel 41 ausgeführt, wobei zwischen der Zulaufdrossel 40 und der Ablaufdrossel 41 die Verbindungsleitung 36 in Richtung des Nadelsteuerraumes 34 abzweigt. Somit besteht die Möglichkeit, in Abhängigkeit der Drosselwirkung der Zulaufdrossel 40 und der Drosselwirkung der Ablaufdrossel 41 ein wenigstens annähernd konstantes Druckniveau der Druckmittelzuführung 2, welches vorliegend als Zuführdruck bezeichnet wird, auf ein definiertes Zwischendruckniveau einzustellen. Daraus resultiert, daß das Zwischendruckniveau der Verbindungsleitung 36 kleiner ist als der Zuführdruck der Druckmittelzuführung 2.
Ein Druck des Steuerraumes 5 stellt sich in Abhängigkeit der Drosselwirkung der Ablaufdrossel 41 ein, der wiederum kleiner als das Zwischendruckniveau ist. Daraus folgt, daß der Druck in dem Ventilsteuerraum 10 und der Druck in der Längsbohrung 37 bei Anlage des Ventilelementes 3 an dem ersten Ventilsitz 6 gleich groß ist, wohingegen der Druck in dem Nadelsteuerraum 34 aufgrund der Abzweigung der Verbindungsleitung 36 vor der Ablaufdrossel 41 größer als der Druck in dem Ventilsteuerraum 10 ist.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen beschrieben, wobei das Kraftstoffeinspritzventil 1 in der vorliegenden Ausführung als ein Common-Rail-Injector ausgeführt ist.
Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdauer und einer Einspritzmenge über Kraftverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird das Ventilelement 3 über das als piezoelektrischer Aktuator ausgebildete Steuerelement angesteuert, welches auf der ventilsteuerraum- und brennraumabgewandten Seite des Ventilelementes 3 angeordnet ist. Der nicht näher dargestellte piezoelektrische Aktuator ist in an sich bekannter Art und Weise aus mehreren keramischen Schichten aufgebaut und weist auf seiner dem Ventilelement 3 zugewandten Seite einen Aktuatorkopf und auf seiner dem Ventilelement 3 abgewandten Seite einen Aktuatorfuß auf, der sich an einer Wand des Ventilgehäuses 38 abstützt.
In der in der Figur 1 dargestellten Position des Ventilelementes 3 ist der Steuerraum 5 gegenüber dem Niederdruckbereich 8, in dem vorzugsweise ein Systemdruck zwischen 10 bar und 30 bar vorherrscht, geschlossen. Die Verbindung zwischen dem Steuerraum 5 und dem Ventilsteuerraum 10 ist geöffnet, da das Ventilelement 3 durch die Feder 9 und den in dem Steuerraum 5 vorherrschenden Druck gegen den ersten Ventilsitz 6 gedrückt ist. In dieser Stellung des Ventilelementes 3 ist der piezoelektrische Aktuator nicht bestromt.
Da der Druck des Ventilsteuerraumes 10 in etwa dem Druck in der Längsbohrung 37 entspricht und die Federkraft der zweiten Feder 22 und die Druck- sowie die Flächenverhältnisse des Nadelsteuerraumes 34, des Ringraumes 28, des Kolbens 15 und der Düsennadel 23 aufeinander abgestimmt sind, ist das Kraftstoffeinspritzventil 1 geschlossen, und der Kolben 15 bzw. der erste Teilkolben 17 liegt mit seiner Stirnfläche 16 an der Ventilplatte 14 an.
In dem vorbeschriebenen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventiles 1 weist der von dem Ringraum 28, der Stichbohrung 27, dem Verbindungskanal 26, der Führungsbohrung 24 und der Durchgangsbohrung 25 des zweiten Teilkolbens 18 begrenzte Hochdruckbereich 4 sein größtes Volumen auf. Der Hochdruckbereich 4 ist mit Kraftstoff befüllt, der in etwa das Druckniveau der Längsbohrung 37 aufweist. Dies resultiert aus der Tatsache, daß der zweite Teilkolben 18 über die zweite Feder 22 gegen den ersten Teilkolben 17 gedrückt ist, und bei Vorliegen eines Druckgefälles zwischen der Längsbohrung 37 und dem Hochdruckbereich 4 der Druck des Hochdruckbereichs 4 auf das Druckniveau der Längsbohrung 37 angehoben wird. Ist das Druckniveau des Hochdruckbereiches 4 größer als das Druckniveau der Längsbohrung 37, erfolgt im wesentlichen kein Druckausgleich, da der zweite Teilkolben 18 dann dichtend an dem ersten Teilkolben 17 anliegt.
Wird der piezoelektrische Aktuator bzw. dessen piezoelektrische Keramik bestromt, wird die Länge der piezoelektrischen Keramik aufgrund des piezoelektrischen Effektes vergrößert. Dadurch wird das Ventilelement 3 von dem ersten Ventilsitz 6 abgehoben und dichtend gegen den zweiten Ventilsitz 7 gepreßt. In dieser Position des Ventilelementes 3 ist die Druckmittelzuführung 2, der Nadelsteuerraum 34 und die Längsbohrung 37 über den Steuerraum 5 mit dem Niederdruckbereich 8 verbunden. Gleichzeitig ist der Ventilsteuerraum 10 aufgrund der Anlage des Ventilelements 3 an dem zweiten Ventilsitz 7 gegenüber dem Steuerraum 5 verschlossen, so daß im Ventilsteuerraum 10 nach wie vor in etwa das Druckniveau des Steuerraumes 5 vor dem Öffnen des ersten Ventilsitzes 6 vorliegt. Daraus resultiert ein Druckgefälle zwischen dem Ventilsteuerraum 10 und der Längsbohrung 37.
Ein Flächenverhältnis zwischen der Stirnfläche 16 und auf der der Stirnfläche 16 des ersten Teilkolbens 17 abgewandten Seite ausgebildeten Wirkflächen des Kolbens 15 führt in Kombination mit dem Druckgefälle zwischen der Ventilsteuerung 10 und der Längsbohrung 37 zu einem Abheben des ersten Teilkolbens 17 von der Ventilplatte 14 in Richtung der Düsennadel 23. Daraus wiederum resultiert eine Verschiebung des zweiten Teilkolbens 18 in Richtung der Düsennadel 23, was zu einer Reduzierung des Volumens des Hochdruckbereiches 4 führt.
Zusätzlich führt das Abheben des Kolbens 15 von der Ventilplatte 14 zu einer zunehmenden Stauchung der zweiten Feder 22, wodurch eine auf die Düsennadel 23 wirkende Schließkraft erhöht wird. Der in dem Hochdruckbereich 4 befindliche Kraftstoff wird auf einen definierten Hochdruck verdichtet. Der Hochdruck liegt an einer weiteren Wirkfläche 43 der Düsennadel 23 an und führt zusammen mit dem Druck des Nadelsteuerraums 34, der ebenfalls in Öffnungsrichtung der Düsennadel 23 auf diese einwirkt, zum Öffnen des Ventils 1. Das heißt, daß ab Erreichen des definierten Hochdrucks in dem Hochdruckbereich 4 bzw. in dem Ringraum 28 die Düsennadel 23 von dem Dichtsitz 30 abgehoben wird. Dann wird der im Hochdruckbereich 4 bzw. im Ringraum 28 unter Hochdruck stehende Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 31 in einen nicht näher dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine gespritzt und der Hochdruck im Hochdruckbereich 4 abgebaut.
Um die Einspritzung definiert zu beenden, wird die Bestromung des piezoelektrischen Aktuators unterbrochen und die Längung der piezoelektrischen Keramik bildet sich zurück. Das Ventilelement 3 hebt von dem zweiten Ventilsitz 7 ab und wird dichtend gegen den ersten Ventilsitz 6 gedrückt. Das Druckniveau der Längsbohrung 37 erhöht sich derart, daß der Kolben 15 wieder gegen die Ventilplatte 14 gedrückt wird. Die Düsennadel 23 wird aufgrund der Kraftverhältnisse gegen den Dichtsitz 30 gedrückt. Der Nadelsteuerraum 34 wird über die Zulaufdrossel 40 und die Ablaufdrossel 41 entleert, wodurch ein schnelles Nadelschließen gewährleistet ist.
Durch die Anordnung der Zulaufdrossel 40 und der Ablaufdrossel 41 besteht die Möglichkeit, in Abhängigkeit der Drosselwirkung der beiden Drosseln 40, 41 einen Nadelhubverlauf so abzustimmen, daß die Düsennadel 23 unter hohem Druck bzw. Einspritzdruck mit definierter Geschwindigkeit öffnet und anschließend schnell schließt. Damit ist eine präzise Einspritzung mit einer exakt einstellbaren Einspritzmenge an Kraftstoff durchführbar.
Soll die Düsennadel 23 bei einer Einspritzung langsam öffnen, wird eine Zulaufdrossel mit hoher Drosselwirkung vorgesehen, wohingegen bei gewünschter hoher Öffnungsgeschwindigkeit eine Zulaufdrossel mit geringerer Drosselwirkung vorzusehen ist. Eine Schließgeschwindigkeit der Düsennadel wird im wesentlichen durch die Drosselwirkung beider Drosseln bestimmt, wobei eine zunehmende Drosselwirkung die Schließgeschwindigkeit reduziert.
Nach Beendigung der Einspritzung, d.h. wenn der Kolben 15 an der Ventilplatte 14 anliegt und die Düsennadel 23 dichtend gegen den Dichtsitz 30 gedrückt ist, liegt zwischen dem Hochdruckbereich 4 und der Längsbohrung 37 bzw. dem Steuerraum 5 ein derartiges Druckgefälle vor, daß ausgehend von der Längsbohrung 37 Kraftstoff zwischen dem ersten Teilkolben 17 und dem zweiten Teilkolben 18 über die Durchgangsbohrung 25 in den Hochdruckbereich 4 einströmt, bis das Druckgefälle im wesentlichen reduziert ist.
Mit der vorbeschriebenen konstruktiven Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils ergibt sich eine Reduzierung des Volumens des Hochdruckbereiches des Kraftstoffeinspritzventils, wodurch vorteilhafterweise Festigkeitsproblemen entgegengewirkt wird. Die erhebliche Verkleinerung des Hochdruckbereichs 4 des Kraftstoffeinspritzventiles 1 nach der Erfindung im Vergleich zu aus der Praxis bekannten Einspritzventilen und der Umstand, daß dieser größtenteils in Bauteile integriert ist, welche im Inneren der Gehäuseteile des Ventiles angeordnet sind, erlaubt eine Reduzierung der Wandstärke der Gehäuseteile des Ventiles, woraus wiederum eine Bauraumersparnis resultiert.
Darüber hinaus weist das Kraftstoffeinspritzventil nach der Erfindung die Vorteile eines Kraftstoffeinspritzventiles mit Druckübersetzung auf, nämlich daß ein Zuführdruck wesentlich kleiner sein kann, als der erst im Ventil selbst erzeugte Einspritzdruck, wodurch eine Druckmittelzuführung nicht mit der gleichen Festigkeit ausgeführt werden muß wie das Druckübersetzungssystem selbst.
Die Figuren 2, 3 und 4 stellen drei weitere Ausführungsformen des Ventils nach der Erfindung dar. Dabei unterscheiden sich die in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils nur in Teilbereichen, weshalb in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren 2 bis 4 für baugleiche und für funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventiles 1 unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventiles 1 durch ein im Bereich der Anlagefläche zwischen dem ersten Teilkolben 17 und dem zweiten Teilkolben 18 angeordnetes Befüllventil 44, welches eine Befüllung des Hochdruckbereiches 4 mit Kraftstoff sicher gewährleisten soll. Die Befüllung soll selbst dann gewährleistet sein, falls ein theoretisch ausreichendes Druckgefälle zwischen dem Hochdruckbereich 4 und der Längsbohrung 37 des Ventilkörpers 35 nicht zu einer ausreichenden Befüllung des Hochdruckbereiches 4 ausgehend von der Längsbohrung 37 führen sollte. Das Befüllventil 44 öffnet ab einem bestimmten Druckgefälle zwischen dem Ventilsteuerraum 10 und dem Hochdruckbereich 4 und bleibt so lange geöffnet, bis ein Schließdruck in dem Hochdruckbereich 4 erreicht wird.
Während einer Einspritzung sperrt das vorliegend als Rückschlagventil ausgeführte Befüllventil 44 den Hochdruckbereich 4 gegenüber dem Ventilsteuerraum 10, so daß der vorbeschriebene Druckaufbau im Hochdruckbereich durch Verschieben des Kolbens 15 in Richtung der Düsennadel 23 sicher gewährleistet ist. Darüber hinaus ist der Hochdruckbereich 4 in der in Figur 1 beschriebenen Art und Weise gegenüber der Längsbohrung 37 abgedichtet. Die Dichtwirkung an der Berührungsstelle zwischen dem ersten Teilkolben 17 und dem zweiten Teilkolben 18 wird durch eine ausreichend hohe auf den zweiten Teilkolbens 18 wirkende Anpreßkraft erzielt.
Alternativ hierzu kann das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventiles 1 nach der Erfindung dahingehend ausgeführt sein, daß der Kolben 15 ein einteiliger Stufenkolben ist. Das heißt, daß der erste Teilkolben 17 und der zweite Teilkolben 18 einstückig ausgeführt sind oder fest miteinander verbunden sind, wodurch eine Befüllung des Hochdruckbereiches ausgehend von der Längsbohrung des Ventilkörpers nicht vorgesehen ist und der Hochdruckbereich lediglich ausgehend von dem Ventilsteuerraum durch ein Öffnen und Schließen des Befüllventiles gesteuert wird.
Zur weiteren Funktionsweise des in Figur 2 dargestellten Kraftstoffeinspritzventiles wird auf die Beschreibung des Kraftstoffeinspritzventiles gemäß Figur 1 verwiesen, da diese bis auf die zusätzliche Befüllung des Hochdruckbereiches 4 über das Befüllventil 44 gleich ist.
Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventiles 1 unterscheidet sich im wesentlichen von dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß das Befüllventil 44 nicht an dem dem Anlagebereich zwischen dem ersten Teilkolben 17 und dem zweiten Teilkolben 18 zugewandten Ende des ersten Teilkolbens 17 angeordnet ist, sondern daß das Befüllventil 44 im Mündungsbereich der Durchgangsbohrung 25 in die Führungsbohrung 24 integriert ist. Diese Maßnahme führt dazu, daß das Volumen des Hochdruckbereichs 4 im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 1 und Figur 2 reduziert ist, wodurch die vorbeschriebenen Vorteile des Kraftstoffeinspritzventils nach der Erfindung noch stärker zum Tragen kommen.
Ein Ventilschließglied 45 des als Rückschlagventil ausgeführten Befüllventiles 44 und eine das Ventilschließglied 45 gegen einen Ventildichtsitz 46 drückende Schließfeder 47 sind in der Durchgangsbohrung 25 angeordnet und durch eine an den zweiten Teilkolben 18 nach der Montage des Ventilschließgliedes 45 und der Schließfeder 47 angeschweißte Scheibe 48 positioniert. Die Scheibe 48 ist mit einer mittigen Bohrung 49 zum Führen von Kraftstoff in den Hochdruckbereich 4 versehen. Die Durchgangsbohrung 25 des zweiten Teilkolbens 18 ist im Bereich des Ventildichtsitzes 46 mit einer Durchmessereinschnürung versehen, wodurch auf das Befüllventil 44 einwirkende Druckschwankungen in der Längsbohrung 37 und damit auch in der Durchgangsbohrung 25 geglättet werden.
Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils 1 gemäß der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform entspricht im wesentlichen der Funktionsweise des in Figur 2 dargestellten Kraftstoffeinspritzventils, weshalb auf die Beschreibung der Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils zu Figur 1 und 2 verwiesen wird.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventils 1 dargestellt, dessen prinzipielle konstruktive Ausführung im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 entspricht. Das Kraftstoffeinspritzventil gemäß Figur 4 ist jedoch ohne Verbindung zwischen der Druckmittelzuführung 2 und dem Nadelsteuerraum 34 sowie ohne die in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellten Drosseln 40 und 41 ausgeführt.
Damit stellt das Kraftstoffeinspritzventil 1 gemäß Fig. 4 gegenüber den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 1, 2 und 3 eine vereinfachte Ausführungsform dar, dessen Einspritzverhalten jedoch nicht in der differenzierten Art und Weise einstellbar ist, wie es bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 3 der Fall ist, die die Zulaufdrossel 40 und die Ablaufdrossel 41 aufweisen. Dies resultiert daraus, daß das Öffnungsverhalten des Kraftstoffeinspritzventiles gemäß Figur 4 lediglich über eine Drosselwirkung eines Durchbruchs 50 beeinflußbar ist.
Der Durchbruch 50 ist in der Düsennadel 23 vorgesehen, um ein Zuführen bzw. ein Abführen von Kraftstoff in den Nadelsteuerraum 34 bzw. aus dem Nadelsteuerraum 34 heraus zu gewährleisten, und stellt eine Verbindung zwischen dem Nadelsteuerraum 34 und dem Hochdruckbereich 4 im Bereich des Verbindungskanals 26 her.
Gemäß der Darstellung in Figur 4 liegt das Ventilelement 3 am ersten Ventilsitz 6 und die Düsennadel 23 am Dichtsitz 30 an. Wird der erste Ventilsitz 6 von dem Ventilelement 3 freigegeben und der zweite Ventilsitz 7 von dem Ventilelement 3 verschlossen, wird der Kolben 15 in Richtung der Düsennadel 23 verschoben, wobei der im Hochdruckbereich 4 vorhandene Kraftstoff auf Hochdruck verdichtet wird. Gleichzeitig steigt der Druck im Nadelsteuerraum 34 entsprechend der Drosselwirkung des Durchbruchs 50 an. Erreicht der Druck des Hochdruckbereiches 4 den Öffnungsdruck bzw. den Einspritzdruck, hebt die Düsennadel 23 in Richtung der Ventilplatte 14 von dem Dichtsitz 30 ab, und der in dem Hochdruckbereich 4 bzw. in dem Ringraum 28 vorhandene Kraftstoff wird über die Einspritzöffnungen 31 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt.
Zur Beendigung der Einspritzung wird das Ventilelement 3 wiederum an den ersten Ventilsitz 6 dichtend angelegt, wodurch der Kolben 15 in vorbeschriebener Art und Weise zurück an die Ventilplatte 14 verschoben wird. Gleichzeitig wird die Düsennadel 23 dichtend gegen den Dichtsitz 30 gedrückt, wobei sich das Volumen des Nadelsteuerraumes 34 verringert. Der überschüssige Kraftstoff des Nadelsteuerraumes 34 wird über den Durchbruch 50 in den Hochdruckbereich 4 gedrückt. Die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel 23 ist daher von der Drosselwirkung des Durchbruchs 50 abhängig und über eine Veränderung der Drosselwirkung variierbar.
Der Hochdruckbereich 4 wird somit nach Beendigung der Einspritzung einerseits über die Längsbohrung 37 und zusätzlich mit überschüssigem Kraftstoff des Nadelsteuerraums 34 über den Durchbruch 50 befüllt.
Selbstverständlich liegt es im Ermessen des Fachmannes, das Kraftstoffeinspritzventil gemäß der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform mit einem Befüllventil in der in den Figuren 2 und 3 beschriebenen Art und Weise zu versehen. Dabei kann das Befüllventil in den in Figur 2 oder in Figur 3 dargestellten Positionen oder in beliebig dazwischen angeordneten Positionen vorgesehen sein.

Claims

Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Druckmittelzuführung (2), mit einem Ventilelement (3) zum Steuern eines Drucks in einem Hochdruckbereich (4), mit einem Steuerelement zum Betätigen des Ventilelementes (3) und mit einer Druckübersetzung, mittels welcher über die Druckmittelzuführung (2) zugeführtes Druckmittel von einem Zuführdruck auf einen Hochdruck komprimierbar ist, wobei die Druckübersetzung wenigstens einen längsbeweglich in einem Ventilkörper (35) angeordneten Kolben (15) aufweist und der Hochdruckbereich (4) wenigstens teilweise von einem Düsenkörper (29) und einer darin längsbeweglich angeordneten Düsennadel (23), die Einspritzöffnungen (31) des Düsenkörpers (29) bei Anlage an einem Dichtsitz (30) abdichtet, begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (15) der Druckübersetzung wenigstens bereichsweise längsbeweglich in der Düsennadel (23) geführt ist und ein Teil des Hochdruckbereichs (4) zusätzlich im Inneren der Düsennadel (23) von dieser und dem in der Düsennadel (23) geführten Teil des Kolbens (15) begrenzt ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (15) als Stufenkolben ausgeführt ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (15) zweiteilig ausgeführt ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kolben (15) und der Düsennadel (23) ein elastisches Element (22) angeordnet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (3) in einem Steuerraum (5) angeordnet ist, welcher zwei mit dem Ventilelement (3) zusammenwirkende Ventilsitze (6, 7) hat.
Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum (5) jeweils mit der Druckmittelzuführung (2), einem Niederdruckbereich (8) und einem Ventilsteuerraum verbunden ist, wobei die Verbindung des Steuerraumes (5) mit dem Niederdruckbereich (8) bei Anlage des Ventilelementes (3) an dem ersten Ventilsitz (6) geschlossen ist und die Verbindungen des Steuerraums mit dem Ventilsteuerraum (10) und mit der Druckmittelzuführung (3) geöffnet sind.
Ventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen des Steuerraumes (5) mit dem Niederdruckbereich (8) und mit der Druckmittelzuführung (2) bei Anlage des Ventilelementes (3) an dem zweiten Ventilsitz (7) geöffnet sind und die Verbindung des Steuerraumes (5) mit dem Ventilsteuerraum (10) geschlossen ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsteuerraum (10) von einer dem Steuerraum (5) zugewandten Stirnfläche (16) des Kolbens (15), einer Ventilplatte (14) und dem Ventilkörper (35) begrenzt ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (35) eine mit dem Steuerraum (5) verbundene Längsbohrung (37) aufweist, in welcher der Kolben (15) angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittelzuführung (2) über den Steuerraum (5) mit der Längsbohrung (37) verbunden ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Steuerraum (5) und der Druckmittelzuführung (2) mit einer Zulaufdrossel (40) versehen ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Druckmittelzuführung (2) und dem Steuerraum (5) mit einer Ablaufdrossel (41) versehen ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum (5) über eine Verbindungsleitung (36) mit einem Nadelsteuerraum (34) verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung (36) von der Verbindung zwischen der Druckmittelzuführung (2) und dem Steuerraum (5) zwischen der Zulaufdrossel (40) und der Ablaufdrossel (41) in Richtung des Nadelsteuerraumes (34) abzweigt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckbereich (4) über einen Durchbruch (50) in der Düsennadel (23) mit einem Nadelsteuerraum (34) verbunden ist.