EP1577540A1 - Steuerventil für ein Einspritzventil - Google Patents

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EP1577540A1
EP1577540A1 EP04006631A EP04006631A EP1577540A1 EP 1577540 A1 EP1577540 A1 EP 1577540A1 EP 04006631 A EP04006631 A EP 04006631A EP 04006631 A EP04006631 A EP 04006631A EP 1577540 A1 EP1577540 A1 EP 1577540A1
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EP
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valve needle
valve
control valve
piston
insert
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H. O. Dr. Geisser
Timo Hochholzer
Marcel Schenk
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Dualon International Holding SA
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    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure

Definitions

  • the present invention relates to a control valve, in particular for injection valves for internal combustion engines, with a valve housing, one in axial Direction movable valve needle, which is arranged in a cylindrical guide is, and arranged in the movable valve needle piston.
  • a control valve for an injection valve is known in which provided within the valve needle associated with the housing piston is.
  • the valve needle is sleeve-shaped and the piston engages in the axial Direction in the valve needle.
  • the disadvantage of this control valve is that the pressure forces acting on the valve needle by the fluid are not compensated and thus the forces required for switching at higher pressures are big. This leads to an extension of the switching time and thus to a limitation efficiency of injection.
  • an insert is received in the valve housing, on which the Piston is held within the valve needle. This can affect the piston acting axial forces are removed via the insert on the housing, without the piston extending through one end of the valve needle got to. Therefore, in a confined space, the forces acting on the use be removed to the valve body.
  • a preferred embodiment of the invention lift in the closed Condition of the valve needle the acting by a fluid axial compressive forces on. Because especially at high pressures, the axial compressive forces are responsible for that to close and keep the valve closed high forces Need to become. If the valve needle, however, not significantly through axial pressure forces of a fluid is pressed in one direction, the Switching forces are minimized and accordingly the switching time can be extremely short be designed.
  • the insert surrounds the valve needle at least partially, so that the Piston can also be included within the insert.
  • a radial support may be provided when the valve needle has an opening and the piston bears against a support body passing through the opening of the Valve needle is fixed to the insert.
  • the opening can be used as a slot be formed to a certain relative movement of the valve needle to the support body to allow for the circuit of the control valve.
  • the piston can be inserted into the sleeve-shaped valve needle.
  • the outer cylindrical Guide that is formed in the insert.
  • a valve seat for the valve needle is preferably formed.
  • the production can be simplified, since the use as a prefabricated Component is then inserted into the control valve.
  • the flow cross-section expands externally adjacent to the valve seat. Because when opening the valve needle would be adjacent in an area to the sealing edge of the valve seat relatively high pressure forces in the axial Direction act when the fluid on the valve needle can not flow well. For a particularly large extension of the flow cross-section adjacent to the Sealing edge, may at the front end portion of the valve needle radially outward be formed adjacent to the sealing edge a step, so that the flow cross-section extended.
  • a valve for the intermittent liquid injection comprises et al a valve housing 1 and a control valve.
  • the injection valve is in itself known and may be formed as described in the PCT application PCT / EP04 / 00434 is described.
  • the control valve comprises a cylindrical Insert 2, in which a valve needle 3 is guided.
  • the valve needle 3 is sleeve-shaped formed and a cylindrical piston 4 is provided within the valve needle 3, which rests against a pin 5.
  • the piston 4 and the valve needle 3 are for a switching operation relative to each other movable.
  • the valve needle 3 is connected via an intermediate piece 9 with an armature 6, the via a solenoid 7 is movable.
  • the solenoid pulls in response to an electrical Impulses during a certain time the anchor 6 and connected to him Valve needle 3 to open the control valve.
  • the valve needle 3 is over a spring 8, which bears against the intermediate piece 9, in the closed position biased.
  • the valve needle 3, the piston 4, the intermediate piece 9 and the spring 8 are coaxially positioned about an axis 50.
  • the piston 4 is held by a pin 5, which is formed by an elongated hole Opening 10 is performed in the valve needle 3.
  • valve needle 3 For axial guidance of the valve needle 3 is a cylindrical guide 11 in the Insert 2 is formed and further, a cylindrical guide between the as Pen trained piston 4 and the inner wall of the valve needle 3 is provided.
  • the valve needle 3 is relative to the stationarily arranged insert 2, the Piston 4 and the pin 5 movable.
  • a chamber 13 is provided, which is in communication with an emptying channel 14.
  • a supply passage 15 filled with high pressure fluid is in the valve housing 1 and the insert 2, of which one designed as a throttle Branch 16 leads to a pressure chamber 17.
  • the pressure chamber 17 is adjacent arranged to a piston 18, on the opposite side of the pressure chamber 17 abuts an extension of the valve needle 19 of the injection valve.
  • the piston 18 moves together with the valve needle 19 of the injector upwards, so that the injection valve a liquid e.g. can inject into a combustion chamber.
  • a bore 20 in which the pin 5 is inserted for example with a press fit.
  • the Piston 4 the otherwise by the pressure of the fluid in the figures upwards is pressed.
  • FIG 3 the front portion of the control valve is shown enlarged, wherein the valve needle 3 is in the closed position.
  • a front end portion 21 the valve needle 3 is frusto-conical and with a sealing edge 22nd the valve needle 3 abuts the valve seat 33 of the insert 2.
  • valve needle 3 has a through the diameter D and the bore 25 limited pressure surface 23.
  • the pressurized fluid passes into an interior space and acts there on the valve needle 3 resulting from the axial force Surface 24 and on the piston 4, the cross-sectional area of diameter D, at the same time the diameter of the guide 12.
  • the valve needle 3 are considered. Because the axial Compressive forces on the pressure surfaces 23 and 24 are almost equal and in opposite directions set direction, they pick up.
  • valve needle 3 is shown in the open position. That in the Pressure chamber 17 contained fluid can flow into the channel 14, so that the injection valve needle 19 is moved. Once the solenoid 7, the valve needle 3 is not Lifting more due to the force of the spring 8, the valve needle 3 back into the pressed closed position and in the pressure chamber 17, a corresponding builds Pressure on and also closes the injection valve needle 19 of the injector.
  • the front end portion the valve needle 3 ' is slightly modified in order to open the valve needle 3 'to reduce the axial forces occurring due to flow resistance.
  • a stepped release formed which is composed of two conical surfaces 30 and 31 together.
  • the invention is not limited to the illustrated embodiment. Especially the geometry of the end section of the valve needle 3 can be varied, to have 3 defined flow conditions when opening the valve needle.
  • the angle W between the stepped portion 30 and a tapered portion 32 may be chosen so as to have optimum flow conditions.

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Abstract

Ein Steuerventil für Einspritzventile für Verbrennungskraftmaschinen, umfasst ein Ventilgehäuse (1), eine in axialer Richtung bewegbare Ventilnadel (3), die in einer zylindrischen Führung (11) angeordnet ist, und einem in der Ventilnadel (3) angeordneten Kolben (4). Erfindungsgemäß ist in dem Ventilgehaüse (1) ein Einsatz (2) augenommen, an dem der Stift (4) und Kolben (5) gehalten ist. Der Einsatz (2) umgibt die Ventilnadel (3) teilweise und ein Kolben (4) liegt an dem Stift (5) an. Das Steuerventil kann mit geringen Kräften und kurzen Schaltzeiten betrieben werden. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerventil, insbesondere für Einspritzventile für Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Ventilgehäuse, einer in axiale Richtung bewegbaren Ventilnadel, die in einer zylindrischen Führung angeordnet ist, und einem in der beweglichen Ventilnadel angeordneten Kolben.
Aus der JP 5-332220 ist ein Steuerventil für ein Einspritzventil bekannt, bei dem innerhalb der Ventilnadel ein mit dem Gehäuse verbundener Kolben vorgesehen ist. Die Ventilnadel ist dabei hülsenförmig ausgebildet und der Kolben greift in axialer Richtung in die Ventilnadel ein. Nachteilig bei diesem Steuerventil ist, dass die durch das Fluid auf die Ventilnadel wirkenden Druckkräfte nicht ausgeglichen werden und somit die zum Schalten erforderlichen Kräfte bei höheren Drücken groß sind. Dies führt zu einer Verlängerung der Schaltzeit und somit zu einer Begrenzung der Effektivität der Einspritzung.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Steuerventil, insbesondere für ein Einspritzventil, zu schaffen, das nur geringe Schaltkräfte benötigt und mit dem die Schaltzeiten sehr kurz ausgestaltet werden können.
Diese Aufgabe wird mit einem Steuerventil mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist in dem Ventilgehäuse ein Einsatz aufgenommen, an dem der Kolben innerhalb der Ventilnadel gehalten ist. Dadurch können die auf den Kolben wirkenden Axialkräfte über den Einsatz auf das Gehäuse abgetragen werden, ohne dass sich der Kolben durch ein Ende der Ventilnadel hindurch erstrecken muss. Daher können auf engem Bauraum die wirkenden Kräfte über den Einsatz auf das Ventilgehäuse abgetragen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung heben sich im geschlossenen Zustand der Ventilnadel die durch ein Fluid wirkenden axialen Druckkräfte auf. Denn gerade bei hohen Drücken sind die axialen Druckkräfte dafür verantwortlich, dass zum Schliessen und geschlossen halten des Ventils hohe Kräfte aufgewendet werden müssen. Wenn die Ventilnadel hingegen nicht wesentlich durch axiale Druckkräfte eines Fluides in eine Richtung gedrückt wird, können die Schaltkräfte minimiert werden und entsprechend kann die Schaltzeit äußerst kurz gestaltet werden.
Vorzugsweise umgibt der Einsatz die Ventilnadel zumindest teilweise, sodass der Kolben auch innerhalb des Einsatzes aufgenommen sein kann. Insbesondere kann eine radiale Abstützung vorgesehen sein, wenn die Ventilnadel eine Öffnung aufweist und der Kolben an einem Abstützkörper anliegt, der durch die Öffnung der Ventilnadel an dem Einsatz festgelegt ist. Die Öffnung kann dabei als Langloch ausgebildet sein, um eine gewisse Relativbewegung der Ventilnadel zu dem Abstützkörper für die Schaltung des Steuerventils zu ermöglichen.
Für eine einfache Montage ist der Kolben in die hülsenförmige Ventilnadel einschiebbar. Für eine axiale Führung der Ventilnadel dient die äußere zylindrische Führung , die in dem Einsatz ausgebildet ist.
In dem Einsatz ist vorzugsweise ein Ventilsitz für die Ventilnadel ausgebildet. Dadurch kann die Herstellung vereinfacht werden, da der Einsatz als vorgefertigtes Bauteil dann in das Steuerventil einsetzbar ist.
Wenn die Fläche des Querschnittes des Ventilsitzes der Fläche des Querschnittes des Kolbens entspricht, werden die durch ein Fluid wirkenden axialen Druckkräfte aufgehoben. Dadurch kann auch bei hohen Drücken, beispielsweise über 1500 bar, wie sie bei Einspritzventilen für Dieselinjektoren auftreten, ein Schaltvorgang ohne größere Schaltkräfte bewirkt werden.
Vorzugsweise erweitert sich außen benachbart zu dem Ventilsitz der Strömungsquerschnitt. Denn beim Öffnen der Ventilnadel würden in einem Bereich benachbart zu der Dichtkante des Ventilsitzes relativ hohe Druckkräfte auch in axialer Richtung wirken, wenn das Fluid an der Ventilnadel nicht gut abströmen kann. Für eine besonders große Erweiterung des Strömungsquerschnittes benachbart zu der Dichtkante, kann an dem vorderen Endabschnitt der Ventilnadel radial nach außen benachbart zu der Dichtkante eine Stufe ausgebildet sein, sodass sich der Strömungsquerschnitt erweitert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Steuerventils in einem Einspritzventil;
Figur 2
eine geschnittene Detailansicht entlang der Linie A-A der Figur 1;
Figur 3
eine geschnittene Detailansicht des Steuerventils der Figur 1 mit geschlossener Ventilnadel;
Figur 4
eine geschnittene Detailansicht des Steuerventils mit geöffneter Ventilnadel, und
Figur 5
eine geschnittene Detailansicht der Ventilnadel gemäß einer modifizierten Ausführungsform.
Ein Ventil für die intermittierende Flüssigkeitseinspritzung (Einspritzventil) umfasst u.a. ein Ventilgehäuse 1 und ein Steuerventil. Das Einspritzventil ist an sich bekannt und kann ausgebildet sein, wie es in der PCT-Anmeldung PCT/EP04/00434 beschrieben ist. Das Steuerventil umfasst einen zylindrischen Einsatz 2, in dem eine Ventilnadel 3 geführt ist. Die Ventilnadel 3 ist hülsenförmig ausgebildet und ein zylindrischer Kolben 4 ist innerhalb der Ventilnadel 3 vorgesehen, der an einem Stift 5 anliegt. Der Kolben 4 und die Ventilnadel 3 sind für einen Schaltvorgang relativ zueinander beweglich.
Die Ventilnadel 3 ist über ein Zwischenstück 9 mit einem Anker 6 verbunden, der über ein Solenoid 7 bewegbar ist. Das Solenoid zieht in Abhängigkeit eines elektrischen Impulses während einer bestimmten Zeit den Anker 6 und die mit ihm verbundene Ventilnadel 3 an, um das Steuerventil zu öffnen. Die Ventilnadel 3 ist über eine Feder 8, die an dem Zwischenstück 9 anliegt, in die geschlossene Position vorgespannt. Die Ventilnadel 3, der Kolben 4, das Zwischenstück 9 sowie die Feder 8 sind koaxial um eine Achse 50 positioniert.
Der Kolben 4 ist über einen Stift 5 gehalten, der durch eine als Langloch ausgebildete Öffnung 10 in der Ventilnadel 3 durchgeführt ist.
Zur axialen Führung der Ventilnadel 3 ist eine zylindrische Führung 11 in dem Einsatz 2 ausgebildet und ferner ist eine zylindrische Führung zwischen dem als Stift ausgebildeten Kolben 4 und der Innenwand der Ventilnadel 3 vorgesehen. Die Ventilnadel 3 ist dabei relativ zu dem stationär angeordneten Einsatz 2, dem Kolben 4 und dem Stift 5 bewegbar.
Um einen vorderen Endabschnitt der Ventilnadel 3 ist eine Kammer 13 vorgesehen, die mit einem Entleerungskanal 14 in Verbindung steht.
Ferner ist ein mit Fluid mit hohem Druck gefüllter Zulaufkanal 15 in dem Ventilgehäuse 1 und dem Einsatz 2 ausgebildet, von dem eine als Drossel ausgebildete Abzweigung 16 zu einem Druckraum 17 führt. Der Druckraum 17 ist benachbart zu einem Kolben 18 angeordnet, der an der gegenüberliegenden Seite des Druckraumes 17 an einer Verlängerung der Ventilnadel 19 des Einspritzventils anliegt.
Bei einem Druckabfall in dem Druckraum 17 bewegt sich der Kolben 18 zusammen mit der Ventilnadel 19 des Einspritzventils nach oben, sodass das Einspritzventil eine Flüssigkeit z.B. in einen Verbrennungsraum einspritzen kann.
Wie in Figur 2 gezeigt ist, befindet sich in dem Einsatz 2 eine Bohrung 20, in der der Stift 5 beispielsweise mit Presssitz eingefügt ist. An dem Stift 5 liegt der Kolben 4 an, der ansonsten durch den Druck des Fluides in den Figuren nach oben gedrückt wird.
In Figur 3 ist der vordere Bereich des Steuerventils vergrößert dargestellt, wobei die Ventilnadel 3 in der geschlossenen Position ist. Ein vorderer Endabschnitt 21 der Ventilnadel 3 ist kegelstumpfförmig ausgebildet und mit einer Dichtkante 22 liegt die Ventilnadel 3 an dem Ventilsitz 33 des Einsatzes 2 an.
Im Hinblick auf geringe Schaltkräfte, sind drei in axialer Richtung Druck beaufschlagte Flächen so gestaltet, dass sie, wie in Fig. 3 dargestellt, einen gemeinsamen Aussendurchmesser D aufweisen: Die Ventilnadel 3 verfügt aussen über eine durch den Durchmesser D und die Bohrung 25 begrenzte Druckfläche 23. Durch die Bohrung 25 in der Ventilnadel 3 gelangt das unter Druck stehende Fluid in einen Innenraum und beaufschlagt dort an der Ventilnadel 3 die für die axiale Kraft resultierende Fläche 24 und am Kolben 4 die Querschnittsfläche von Durchmesser D, zugleich Durchmesser der Führung 12. Für die Schaltkräfte müssen nur bewegliche Druck beaufschlagte Teile, also die Ventilnadel 3 betrachtet werden. Da die axialen Druckkräfte auf die Druckflächen 23 und 24 nahezu gleich gross sind und in entgegen gesetzter Richtung wirken, heben sie sich auf.
In Figur 4 ist die Ventilnadel 3 in der geöffneten Position dargestellt. Das in dem Druckraum 17 enthaltene Fluid kann in den Kanal 14 abströmen, sodass die Einspritzventilnadel 19 bewegt wird. Sobald das Solenoid 7 die Ventilnadel 3 nicht mehr anhebt wird aufgrund der Kraft der Feder 8 die Ventilnadel 3 wieder in die geschlossene Position gedrückt und in dem Druckraum 17 baut sich ein entsprechender Druck auf und schließt auch die Einspritzventilnadel 19 des Einspritzventils.
Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der vordere Endabschnitt der Ventilnadel 3' leicht modifiziert ausgebildet, um bei dem Öffnen der Ventilnadel 3' die infolge Strömungswiderstände auftretenden Axialkräfte zu reduzieren. Hierfür ist oberhalb der Dichtkante 22 an der Ventilnadel 3' eine gestufte Freistellung ausgebildet, die sich aus zwei kegeligen Flächen 30 und 31 zusammen setzt. Dadurch werden der Strömungsquerschnitt zur benachbarten Kammer 13 vergrössert, die hydraulischen Druckkräfte an der Ventilnadel 3' und somit auch die Axialkräfte auf die Ventilnadel 3' verringert.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere kann die Geometrie des Endabschnittes der Ventilnadel 3 variiert werden, um bei einem Öffnen der Ventilnadel 3 definierte Strömungsverhältnisse zu haben. Der Winkel W zwischen dem gestuften Abschnitt 30 und einem kegeligen Abschnitt 32 kann dabei so gewählt sein, um optimale Strömungsverhältnisse zu besitzen.

Claims (10)

  1. Steuerventil, insbesondere für Einspritzventile für Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Ventilgehäuse (1), einer in axialer Richtung bewegbaren Ventilnadel (3), die in einer zylindrischen Führung (11) angeordnet ist, und einem in der beweglichen Ventilnadel (3) angeordneten Kolben (4), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilgehäuse (1) ein Einsatz (2) aufgenommen ist, an dem ein Stift (5) und der Kolben (4) gehalten sind.
  2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im geschlossenen Zustand der Ventilnadel (3) die durch ein Fluid wirkenden axialen Druckkräfte sich einander im Wesentlichen aufheben.
  3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (3) über den Einsatz (2) hervorsteht.
  4. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (3) eine Öffnung (10) aufweist und der Kolben (4) an einem Stift (5) anliegt, der durch die Öffnung (10) der Ventilnadel (3) an dem Einsatz (2) festgelegt ist.
  5. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) als innerhalb der Ventilnadel (3) angeordneter Stift ausgebildet ist.
  6. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Einsatz (2) die zylindrische Führung (11) für die Ventilnadel (3) ausgebildet ist.
  7. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Einsatz (2) ein Ventilsitz (33) für die Ventilnadel (3) ausgebildet ist.
  8. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Querschnittes einer Dichtkante (22) des Ventilsitzes (33) der Fläche des Querschnittes des Kolbens (4) entspricht.
  9. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich außen benachbart zu der Dichtkante (22) der Strömungsquerschnitt erweitert.
  10. Steuerventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Endabschnitt der Ventilnadel (3') radial nach außen benachbart zu der Dichtkante (22) gestuft ausgebildet ist.
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