EP2171257B1 - Steuerventil für einen kraftstoffinjektor sowie kraftstoffinjektor - Google Patents

Steuerventil für einen kraftstoffinjektor sowie kraftstoffinjektor Download PDF

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EP2171257B1
EP2171257B1 EP08760769A EP08760769A EP2171257B1 EP 2171257 B1 EP2171257 B1 EP 2171257B1 EP 08760769 A EP08760769 A EP 08760769A EP 08760769 A EP08760769 A EP 08760769A EP 2171257 B1 EP2171257 B1 EP 2171257B1
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EP
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control
control valve
valve seat
sleeve
cone angle
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Stefan Haug
Nadja Eisenmenger
Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M63/0078—Valve member details, e.g. special shape, hollow or fuel passages in the valve member
    • F02M63/008—Hollow valve members, e.g. members internally guided

Definitions

  • the invention relates to a control valve for a fuel injector according to the preamble of claim 1 and a fuel injector according to claim 10.
  • the control valve has an adjustable by means of an electromagnetic actuator in the axial direction between a closed position and an open position control sleeve which is guided on a, passing through the control sleeve guide pin.
  • the guide pin is formed integrally with a valve body on which the control valve seat is arranged for the control sleeve.
  • control valve seat is expensive to manufacture due to its poor accessibility and that a comparatively large minimum diameter of the guide pin must not be exceeded for reasons of strength, since the supply of fuel from a control chamber via a valve body provided in the flow channel which is cut perpendicularly inside the guide pin by transverse bores.
  • an optimized control valve is known.
  • This in the axial direction likewise pressure-balanced valve has a control sleeve which encloses a pressure pin, which seals the pressure chamber arranged inside the control sleeve and connected to the control chamber in the axial direction.
  • the pressure pin is not formed integrally with the valve body on which the control valve seat is arranged, but as a separate component of the valve body, which is supported in the axial direction at a spaced from the control valve seat injector component, in particular spring assisted. This allows improved accessibility of the control valve seat and thus a simplified manufacturability. In addition, strength problems are avoided.
  • This slip between the control sleeve and control valve seat leads to increased wear on the control sleeve and the control valve seat and thus to form a pressure step on the control sleeve, which causes an undesirable force acting in the opening direction of the control sleeve force on the control sleeve.
  • the invention has for its object to provide a control valve (servo valve) are minimized in the wear phenomena. Furthermore, the object is to propose a correspondingly optimized fuel injector.
  • the invention is based on the idea of selecting the cone angle of the external truncated-cone-shaped control valve seat so that the stop slip of the sealing surface region of the control sleeve is minimized relative to the control valve seat or, in the optimum case, completely avoided. It has surprisingly been found that when the cone angle of the control valve seat is selected from a value range between about 120 ° and about 170 °, a positive effect with regard to minimizing the stop slip across the length of the control sleeve results.
  • This effect can be attributed to the fact that by a cone angle from a value range between about 120 ° and about 170 °, depending on the dimensions and geometric design of the sealing surface having sealing area the control sleeve must be selected, a radially outwardly acting force component is induced in the sealing region of the control sleeve, which counteracts the Nachinneng faced the sealing area, as this is observed in a flat seat.
  • cone angle is understood to mean the angle that two lateral surface sections (oblique sections) of the control valve seat enclose in a plane receiving the longitudinal central axis of the control valve seat.
  • the cone angle is the doubled angle between the lateral surface of the outer truncated cone-shaped control valve seat and the longitudinal center axis of the control valve seat.
  • control sleeve is guided on its inner circumference and / or on its outer circumference. It can be provided to guide the control sleeve on its inner circumference with the control valve seat having the component piece guide pin, which passes through the control sleeve.
  • a pressure pin is arranged, which is designed as a separate part of the valve body having the control valve seat and which is positioned so that it can take over the leadership of the control sleeve.
  • control sleeve in which in the control sleeve only one at one, of which the control valve seat having valve body, spaced component ab Weighteder pressure pin is provided and the control sleeve is guided on its outer periphery.
  • control sleeve alternatively by means of a piezoelectric actuator or an electromagnetic actuator between its closed position in which it rests on the control valve seat and a spaced from the control valve seat opening position in which the control chamber is hydraulically connected to a low pressure region of the injector is adjustable ,
  • cone angle of the control valve seat must be selected from the value range between about 120 ° and about 170 °. It has been found that cone angles from a value range between 130 ° and 170 ° are to be preferred. Especially preferred are cone angles from a value range between 140 ° and 170 °. In tests, particularly good results were achieved in the combination of a seat diameter (sealing diameter) of 2.5 mm and a cone angle of 140 °. Particularly advantageous is the choice of a cone angle from a range of values between 150 ° and 170 °, preferably from a range of values between 155 ° and 160 ° has been found. In particular, for a seat diameter (sealing diameter) of 1.8 mm, a cone angle of the control valve seat of 160 ° is optimal.
  • the sealing surface which cooperates with the outer cone-shaped control valve seat is formed on an inner cone-shaped end side portion of the control sleeve, the sealing surface so itself is internally cone-shaped. As a result, signs of wear can be further minimized.
  • an embodiment is advantageous in which the inner cone angle of the inner surface of the sealing surface (something) is selected to be greater than the cone angle of the outer frustoconical control valve seat.
  • the angular difference between the inner cone angle and the portion of the control sleeve having the sealing surface is selected from a value range between approximately 1 ° and approximately 10 °.
  • Particularly preferred is an inner cone angle greater by about 2 ° to 9 ° than the cone angle of the control valve seat.
  • Particularly optimized results with regard to the wear and the tightness of the control valve in the closed state were achieved with an angle difference between inner cone angle and cone angle of the control valve seat from a value range between 3 ° and 6 °.
  • control valve as a pressure balanced in the axial direction valve, ie a valve on the control sleeve act in the closed state no directed in the axial direction, resulting adjustment forces.
  • This can be realized in particular by the fact that the sealing surface frontally adjacent to the inner peripheral wall of the control sleeve and extending from this in the radial direction outwards and in the axial direction, ie in the direction of the control valve seat.
  • the seat line with which the control sleeve interacts with the outer truncated-cone-shaped control valve seat adjoins the inner circumference the control sleeve.
  • the inner diameter of the sealing line corresponds to the inner diameter of the control sleeve.
  • the sealing surface having sealing area in the radial direction connects an annular surface, preferably in an imaginary, arranged transversely to the longitudinal extent of the control sleeve level lies. It is within the scope of the development that this, the maximum extent of the sealing surface limiting annular surface with the transversely extending to the longitudinal extent of the control sleeve, imaginary plane includes an angle from a value range between about -20 ° and about + 20 °.
  • the invention also leads to a fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • This has a designed according to the concept of the invention, preferably in the axial direction pressure compensated control valve with a control sleeve which cooperates with an outer truncated cone-shaped control valve seat having a cone angle from a value range between 120 ° and 170 °.
  • opening the control valve ie by lifting the control sleeve of the control valve seat operatively connected to a one-piece or multi-part injection valve element control chamber is connected to an injector return, so that the fuel pressure in the control chamber drops rapidly and the injection valve element lifts from its valve seat and fuel through at least one Nozzle hole opening can flow into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • control sleeve is operatively connected to an anchor plate, ie integrally with this is formed or, in particular form-fitting, connected thereto, wherein the armature plate cooperates for adjusting the control sleeve with an electromagnetic actuator.
  • Fig. 1 is a common rail injector trained fuel injector with the fuel supply components shown schematically in longitudinal section.
  • the fuel injector comprises a holding body 1 and a nozzle body 2, which are clamped together by a clamping nut 3.
  • a two-part injection valve element 3 is mounted longitudinally displaceable.
  • the injection valve element 3 consists of a Nozzle needle 4, which is arranged longitudinally displaceably in the nozzle body 2 and a control rod 5, which is arranged longitudinally displaceable within the holding body 1.
  • the nozzle needle 4 controls the opening of at least one injection opening 6 by its longitudinal movement.
  • the fuel is supplied to the injection openings 6 from the nozzle chamber 7, which surrounds the nozzle needle 4 and which can be filled with fuel at high pressure via an inlet channel 8. If the nozzle needle 10 moves away from the injection openings 6 and thus moves into its open position, fuel, essentially under rail pressure, is injected from the nozzle chamber 7 via the injection openings 6 into a combustion chamber, not shown in the drawing, of an internal combustion engine. If, however, the nozzle needle 10 is in its closed position, i. in contact with a valve seat, the openings 6 are closed by the nozzle needle 4.
  • the control rod 5 is received in a longitudinal bore 9 within the holder body 1.
  • the control rod 5 is connected via a pressure piece 10 to the nozzle needle 4 within a low pressure chamber 11 which is connected via a channel, not shown, to the injector return, so that the control rod 5 moves synchronously with the nozzle needle 4 in the longitudinal direction.
  • the control rod 5 is surrounded by a closing spring 12, which is supported on the one hand in a paragraph on the holding body 1 and on the other hand on the pressure piece 10, so that by the force of the closing spring 12, the pressure piece 10 in the direction of the nozzle needle 4 and so that the nozzle needle 4 is subjected to force in its closed position.
  • a high-pressure pump 13 For supplying the fuel under high pressure, a high-pressure pump 13 is provided, which compresses the fuel from a reservoir 14 and a high-pressure accumulator 15 (Rail) supplies, in which the fuel is kept under high pressure. Via a high-pressure line 16 and a high-pressure connection 17, which is formed on the fuel injector, the high-pressure fuel is supplied to the fuel injector and injected in the manner described via the injection openings 6 into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • control rod 5 With its end facing away from the nozzle needle 4, the control rod 5 defines a control chamber 18, which is connected via an inlet bore 19 with inlet throttle 20 to the inlet channel 8.
  • the control chamber 18 is connected via a drain passage 21 with outlet throttle 22 to a pressure chamber 23.
  • the pressure chamber 23 is arranged radially within an adjustable in the axial direction of the control sleeve 24 of a control valve 25 (servo valve).
  • the control sleeve 24 acts with an outer truncated cone-shaped control valve seat 27 which is formed on a valve body 28.
  • a pressure pin 29 is arranged, which is designed as a separate component from the valve body 28 and which is supported in the axial direction in the drawing plane upwards on a component, not shown.
  • the pressure pin 29 is used in the embodiment shown to guide the control sleeve 24 in the axial direction. Additionally or alternatively, a guide for the control sleeve 24 may be provided on its outer periphery.
  • control sleeve 24 is integrally formed with an anchor plate 30 which cooperates with an electromagnetic actuator 31, in such a way in that the armature plate 30 and thus the control sleeve 24 are moved upwards in the drawing plane when the electromagnetic actuator 31 is energized so that fuel can flow from the pressure chamber 23 into a low-pressure region 32 of the fuel injector and from there to a return 33, via which one later yet to be explained control amount of fuel is returned to the reservoir 14.
  • the energization of the electromagnetic actuator 31 is interrupted and a control closing spring 34 pushes the control sleeve 24 in the axial direction in the drawing plane down to the control valve seat 27th
  • the electromagnetic actuator 31 of the control valve 35 is energized.
  • the control sleeve 24 lifts from its outer frustoconical control valve seat 27, whereby fuel from the control chamber 18 through the drain passage 21 with outlet throttle 22 and the pressure chamber 23 radially between the lower end of the control sleeve 24 and the control valve seat over in the low pressure region 32 and thus to the return 33rd can flow.
  • the flow cross sections of the outlet throttle 22 and the inlet throttle 20 via which continues to flow fuel into the control chamber 18, so matched to each other that a net outflow (control amount) of fuel in the low pressure region 32 and from there into the return 33 results.
  • the energization of the electromagnetic actuator 31 is interrupted, so that the control sleeve 24 is moved by the control closing spring 34 to its control valve seat 27.
  • the pressure in the control chamber 18 increases rapidly, so that the injection valve element 3 moves downwards onto its valve seat in the drawing plane and thus interrupts the fuel flow through the injection openings 6.
  • a possible embodiment of the seat portion of the control valve 25 is shown enlarged.
  • the frontal sealing portion 35 of the control sleeve 24 with its annular sealing surface 36 which cooperates with the outer truncated cone-shaped control valve seat 27.
  • the cone angle ⁇ of the control valve seat 27 is about 120 ° in the embodiment shown. Preference is given to an even greater design of the cone angle, in particular of about 160 °.
  • the cone angle is formed by the lateral surface 37 of the control valve seat 27, more precisely by two sections of the lateral surface 37 accommodating in a plane receiving the longitudinal central axis L of the control valve seat.
  • the sealing surface 36 which cooperates with the lateral surface 37 on an inner cone-shaped portion 26 with an inner cone angle ⁇ of about 125 ° in this embodiment. It is essential that the inner cone angle ⁇ of the annular sealing surface 36 having portion 26 which is arranged on the axial extension 38, (something) is greater than the cone angle ⁇ of the outer frustoconical control valve seat 27th
  • the sealing surface 36 is arranged on an annular axial extension 38 on the end face of the control sleeve 24, wherein the sealing surface 36 extends directly from the inner circumference of the control sleeve 24 both in the radial and in the axial direction.
  • the axial extension 38 with the sealing surface 36 having inner cone-shaped portion 26 is radially outwardly slightly concave curved in an end face annular surface 39 of the control sleeve, wherein the annular surface 39 is located in a plane perpendicular to the longitudinal central axis L level.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil (25) für einen Kraftstoffinjektor mit einer Steuerhülse (24), die einen Druckraum (23) begrenzt und die in Längsrichtung beweglich gelagert ist, wobei die Steuerhülse (24) an ihrer Stirnseite eine Dichtfläche (36) aufweist, mit der sie mit einem an einem Ventilkörper (28) ausgebildeten, außenkegelstumpfförmigen Steuerventilsitz (27) zusammenwirkt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Konuswinkel des Steuerventilsitzes (27) aus einem Wertebereich zwischen 120° und 170° gewählt ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 10.
  • Aus der EP 1 612 403 A1 ist ein Kraftstoffinjektor mit einem in axialer Richtung druckausgeglichenen Steuerventil bekannt. Das Steuerventil weist eine mittels eines elektromagnetischen Aktuators in axialer Richtung zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung verstellbare Steuerhülse auf, die an einem, die Steuerhülse durchsetzenden Führungsstift geführt ist. Dabei ist der Führungsstift einstückig mit einem Ventilkörper ausgebildet, an dem auch der Steuerventilsitz für die Steuerhülse angeordnet ist. Nachteilig bei dem bekannten Steuerventil ist es, dass der Steuerventilsitz aufgrund seiner schlechten Zugänglichkeit aufwendig zu fertigen ist und dass ein vergleichsweise großer minimaler Durchmesser des Führungsstiftes aus Festigkeitsgründen nicht unterschritten werden darf, da die Zuführung von Kraftstoff aus einer Steuerkammer über einen im Ventilkörper vorgesehenen Ablaufkanal erfolgt, der senkrecht innerhalb des Führungsstiftes von Querbohrungen geschnitten wird.
  • Als hausinterner Stand der Technik der Anmelderin ist ein optimiertes Steuerventil bekannt. Dieses, in axialer Richtung ebenfalls druckausgeglichene Ventil weist eine Steuerhülse auf, die einen Druckstift umschließt, der den innerhalb der Steuerhülse angeordneten, mit der Steuerkammer verbundenen Druckraum in axialer Richtung abdichtet. Der Druckstift ist nicht einstückig mit dem Ventilkörper ausgebildet, an dem auch der Steuerventilsitz angeordnet ist, sondern als von dem Ventilkörper separates Bauteil, das sich in axialer Richtung an einem von dem Steuerventilsitz beabstandeten Injektorbauteil, insbesondere federkraftunterstützt, abgestützt ist. Dies ermöglicht eine verbesserte Zugänglichkeit des Steuerventilsitzes und damit eine vereinfachte Fertigbarkeit. Zudem werden Festigkeitsprobleme vermieden. Bei Versuchen mit dem hausinternen Steuerventil wurde festgestellt, dass es sowohl bei einem als Kegelsitz ausgebildeten Steuerventilsitz mit einem Konuswinkel von 90° als auch bei einem als Flachsitz (Konuswinkel = 180°) ausgebildeten Steuerventilsitz beim Anschlagen der Steuerhülse am Steuerventilsitz zu einer Relativbewegung der Ventilhülse quer zu ihrer Längserstreckung relativ zu dem Steuerventilsitz kommt. Dabei wurde beobachtet, dass sich bei einem als Kegelsitz ausgebildeten Steuerventilsitz mit einem Konuswinkel von 90° der die Dichtfläche der Steuerhülse aufweisende Bereich der Steuerhülse elastisch radial nach außen verstellt, d.h. aufgeweitet wird, wohingegen es bei einem Flachsitz zu einer radialen Verstellung nach innen kommt. Dieser Schlupf zwischen Steuerhülse und Steuerventilsitz führt zu einem erhöhten Verschleiß an der Steuerhülse sowie am Steuerventilsitz und damit zur Bildung einer Druckstufe an der Steuerhülse, die eine unerwünschte in Öffnungsrichtung der Steuerhülse wirkende Kraft auf die Steuerhülse bewirkt.
    • Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil (Servoventil) vorzuschlagen, bei dem Verschleißerscheinungen minimiert sind. Ferner besteht die Aufgabe darin einen entsprechend optimierten Kraftstoffinjektor vorzuschlagen.
    • Technische Lösung
  • Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Steuerventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Kraftstoffinjektors mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Konuswinkel des außenkegelstumpfförmigen Steuerventilsitzes so zu wählen, dass der Anschlagschlupf des Dichtflächenbereichs der Steuerhülse relativ zu dem Steuerventilsitz minimiert oder im Optimalfall vollständig vermieden wird. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass, wenn der Konuswinkel des Steuerventilsitzes aus einem Wertebereich zwischen etwa 120° und etwa 170° gewählt wird ein positiver Effekt im Hinblick auf die Minimierung des Anschlagschlupfes quer zur Längserstreckung der Steuerhülse resultiert. Dieser Effekt kann darauf zurückgeführt werden, das durch einen Konuswinkel aus einem Wertebereich zwischen etwa 120° und etwa 170°, der je nach Dimensionierung und geometrischer Ausgestaltung des die Dichtfläche aufweisenden Dichtbereichs der Steuerhülse gewählt werden muss, eine nach radial außen wirkende Kraftkomponente in den Dichtbereich der Steuerhülse induziert wird, die dem Nachinnengleiten des Dichtbereichs, wie dieser bei einem Flachsitz zu beobachten ist, entgegen wirkt. Dadurch, dass ein Konuswinkel von 120° nicht unterschritten wird, wird erreicht, dass die induzierte, nach radial außen wirkenden Kraftkomponente geringer ist als bei einem kegelförmigen Steuerventilsitz mit einem Konuswinkel von 90°, wodurch, eine (zu große) radial nach außen wirkende, elastische Verformung bzw. Bewegung der Steuerhülse in ihren Dichtbereich relativ zu dem Steuerventilsitz überraschenderweise vermieden wird. Unter Konuswinkel im Sinne der Erfindung ist dabei der Winkel zu verstehen, den zwei in einer die Längsmittelachse des Steuerventilsitzes aufnehmenden Ebene liegenden Mantelflächenabschnitte (Schrägstrecken) des Steuerventilsitzes einschließen. Anders ausgedrückt, handelt es sich bei dem Konuswinkel um den verdoppelten Winkel zwischen der Mantelfläche des außenkegelstumpfförmigen Steuerventilsitzes und der Längsmittelachse des Steuerventilsitzes.
  • Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Steuerhülse an ihrem Innenumfang und/oder an ihrem Außenumfang geführt ist. Dabei kann zur Führung der Steuerhülse an ihrem Innenumfang ein mit dem den Steuerventilsitz aufweisenden Bauteil einstückiger Führungsstift vorgesehen werden, der die Steuerhülse durchsetzt. Alternativ ist es denkbar, dass in der Steuerhülse ein Druckstift angeordnet ist, der als von dem den Steuerventilsitz aufweisenden Ventilkörper separates Bauteil ausgebildet ist und der derart lagefest positioniert ist, dass er die Führung der Steuerhülse übernehmen kann. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der in der Steuerhülse lediglich ein sich an einem, von dem den Steuerventilsitz aufweisenden Ventilkörper, beabstandeten Bauteil abstützender Druckstift vorgesehen ist und die Steuerhülse an ihrem Außenumfang geführt ist. Ferner liegt es im Rahmen der Erfindung die Steuerhülse alternativ mittels eines Piezoaktuators oder eines elektromagnetischen Aktuators zwischen ihrer Schließstellung, in der sie am Steuerventilsitz anliegt und einer von dem Steuerventilsitz beabstandeten Öffnungsstellung, in der die Steuerkammer mit einem Niederdruckbereich des Injektors hydraulisch verbunden ist, verstellbar ist.
  • Je nach geometrischer Ausgestaltung der Steuerhülse, insbesondere in ihrem die Dichtfläche aufweisenden Dichtbereich, muss ein für den konkreten Anwendungsfall optimaler Konuswinkel des Steuerventilsitzes aus dem Wertebereich zwischen etwa 120° und etwa 170° gewählt werden. Es hat sich herausgestellt, dass Konuswinkel aus einem Wertebereich zwischen 130° und 170° zu bevorzugen sind. Besonders zu bevorzugen sind Konuswinkel aus einem Wertebereich zwischen 140° und 170°. Dabei wurden in Versuchen besonders gute Ergebnisse bei der Kombination eines Sitzdurchmessers (Dichtdurchmessers) von 2,5 mm und einem Konuswinkel von 140° erzielt. Besonders vorteilhaft hat sich die Wahl eines Konuswinkels aus einem Wertebereich zwischen 150° und 170°, bevorzugt aus einem Wertebereich zwischen 155° und 160° herausgestellt. Insbesondere für einen Sitzdurchmesser (Dichtdurchmesser) von 1,8 mm ist ein Konuswinkel des Steuerventilsitzes von 160° optimal.
  • Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Dichtfläche, die mit dem außenkonusförmigen Steuerventilsitz zusammenwirkt, an einem innenkonusförmigen Stirnseitenabschnitt der Steuerhülse ausgebildet ist, die Dichtfläche also selbst innenkonusförmig ist. Hierdurch können Verschleißerscheinungen weiter minimiert werden.
  • Zur Realisierung einer Dichtkante mit einer minimalen Radialerstreckung ist eine Ausführungsform von Vorteil, bei der der Innenkonuswinkel des die Dichtfläche aufweisenden Innenkonus (etwas) größer gewählt ist als der Konuswinkel des außenkegelstumpfförmigen Steuerventilsitzes.
  • Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Winkeldifferenz zwischen dem Innenkonuswinkel und dem die Dichtfläche aufweisenden Abschnitt der Steuerhülse aus einem Wertebereich zwischen etwa 1° und etwa 10° gewählt ist. Besonders bevorzugt ist ein um etwa 2° bis 9° größerer Innenkonuswinkel als der Konuswinkel des Steuerventilsitzes. Besonders optimierte Ergebnisse im Hinblick auf den Verschleiß und die Dichtigkeit des Steuerventils im geschlossenen Zustand wurden mit einer Winkeldifferenz zwischen Innenkonuswinkel und Konuswinkel des Steuerventilsitzes aus einem Wertebereich wischen 3° und 6° erzielt.
  • Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Steuerventils als in axialer Richtung druckausgeglichenes Ventil, also eines Ventils, auf dessen Steuerhülse im geschlossenen Zustand keine in axialer Richtung gerichteten, resultierenden Verstellkräfte wirken. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass die Dichtfläche stirnseitig unmittelbar an die innere Umfangswand der Steuerhülse angrenzt und sich von dieser in radialer Richtung nach außen sowie in axialer Richtung, also in Richtung des Steuerventilsitzes erstreckt. Anders ausgedrückt grenzt die Sitzlinie (Dichtlinie), mit der die Steuerhülse mit dem außenkegelstumpfförmigen Steuerventilsitz zusammenwirkt an dem Innenumfang der Steuerhülse. Der Innendurchmesser der Dichtlinie entspricht dabei dem Innendurchmesser der Steuerhülse.
  • Um die maximale Erstreckung der sich durch Verschleiß im Laufe der Zeit vergrößernden Dichtfläche zu begrenzen, ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der an den die Dichtfläche aufweisenden Dichtbereich in radialer Richtung eine Ringfläche anschließt, die bevorzugt in einer gedachten, quer zur Längserstreckung der Steuerhülse angeordneten Ebene liegt. Dabei liegt es im Rahmen der Weiterbildung, dass diese, die maximale Erstreckung der Dichtfläche begrenzende Ringfläche mit der quer zur Längserstreckung der Steuerhülse verlaufenden, gedachten Ebene einen Winkel aus einem Wertebereich zwischen etwa -20° und etwa +20° einschließt.
  • Die Erfindung führt auch auf einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Dieser weist ein nach dem Konzept der Erfindung ausgebildetes, vorzugsweise in axialer Richtung druckausgeglichenes Steuerventil mit einer Steuerhülse auf, die mit einem außenkegelstumpfförmigen Steuerventilsitz zusammenwirkt, der einen Konuswinkel aus einem Wertebereich zwischen 120° und 170° aufweist. Durch Öffnen des Steuerventils, also durch Abheben der Steuerhülse von dem Steuerventilsitz wird eine mit einem einstückig oder mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilelement wirkverbundene Steuerkammer mit einem Injektorrücklauf verbunden, so dass der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer rapide abfällt und das Einspritzventilelement von seinem Ventilsitz abhebt und Kraftstoff durch mindestens eine Düsenlochöffnung in den Brennraum der Brennkraftmaschine strömen kann. Dabei ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die Steuerhülse mit einer Ankerplatte wirkverbunden ist, d.h. einstückig mit dieser ausgebildet oder, insbesondere formschlüssig, mit dieser verbunden ist, wobei die Ankerplatte zum Verstellen der Steuerhülse mit einem elektromagnetischen Aktuator zusammenwirkt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
    • Fig. 1:
    eine unvollständige Darstellung eines Kraftstoffinjektors mit einem eine Steuerhülse aufweisenden Steuerventil und
    Fig. 2:
    eine vergrößerte Darstellung einer möglichen Ausbildung des Steuerventilsitzes.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In Fig. 1 ist ein Common-Rail-Injektor ausgebildeter Kraftstoffinjektor mit den kraftstoffzuführenden Komponenten schematisch im Längsschnitt gezeigt. Der Kraftstoffinjektor umfasst einen Haltekörper 1 und einen Düsenkörper 2, die durch eine Spannmutter 3 miteinander verspannt sind. Innerhalb des Haltekörpers 1 und des Düsenkörpers 2 ist ein zweiteiliges Einspritzventilelement 3 längsverschieblich gelagert. Das Einspritzventilelement 3 besteht aus einer Düsennadel 4, die im Düsenkörper 2 längsverschieblich angeordnet ist und einer Steuerstange 5, die längsverschieblich innerhalb des Haltekörpers 1 angeordnet ist.
  • Die Düsennadel 4 steuert durch ihre Längsbewegung die Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung 6. Der Kraftstoff wird den Einspritzöffnungen 6 aus dem Düsenraum 7 zugeführt, der die Düsennadel 4 umgibt und der über einen Zulaufkanal 8 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Bewegt sich die Düsennadel 10 von den Einspritzöffnungen 6 weg und fährt so in ihre Öffnungsposition, wird Kraftstoff, im Wesentlichen unter Rail-Druck stehend, aus dem Düsenraum 7 über die Einspritzöffnungen 6 in einen in der Zeichnung nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Befindet sich hingegen die Düsennadel 10 in ihrer Schließposition, d.h. in der Anlage an einem Ventilsitz, so werden die Öffnungen 6 durch die Düsennadel 4 verschlossen.
  • Die Steuerstange 5 ist in einer Längsbohrung 9 innerhalb des Haltekörpers 1 aufgenommen. Die Steuerstange 5 liegt über ein Druckstück 10 an der Düsennadel 4 innerhalb eines Niederdruckraums 11, der über einen nicht gezeigten Kanal mit dem Injektorrücklauf verbunden ist an, so dass sich die Steuerstange 5 synchron mit der Düsennadel 4 in Längsrichtung bewegt. An dem dem Düsenkörper 2 zugewandten Ende ist die Steuerstange 5 von einer Schließfeder 12 umgeben, die sich einerseits in einem Absatz am Haltekörper 1 abstützt und andererseits am Druckstück 10, so dass durch die Kraft der Schließfeder 12 das Druckstück 10 in Richtung der Düsennadel 4 und damit die Düsennadel 4 in ihre Schließposition kraftbeaufschlagt wird.
  • Zur Zuführung des Kraftstoffs unter hohem Druck ist eine Hochdruckpumpe 13 vorgesehen, die den Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 14 verdichtet und einem Hochdruckspeicher 15 (Rail) zuführt, in welchem der Kraftstoff unter hohem Druck vorgehalten wird. Über eine Hochdruckleitung 16 und einen Hochdruckanschluss 17, der am Kraftstoffinjektor ausgebildet ist, wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff dem Kraftstoffinjektor zugeführt und in der beschriebenen Weise über die Einspritzöffnungen 6 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
  • Mit seiner der Düsennadel 4 abgewandten Stirnseite begrenzt die Steuerstange 5 eine Steuerkammer 18, die über eine Zulaufbohrung 19 mit Zulaufdrossel 20 mit dem Zulaufkanal 8 verbunden ist. Die Steuerkammer 18 ist über einen Ablaufkanal 21 mit Ablaufdrossel 22 mit einem Druckraum 23 verbunden. Der Druckraum 23 ist radial innerhalb einer in axialer Richtung verstellbaren Steuerhülse 24 eines Steuerventils 25 (Servoventil) angeordnet. Die Steuerhülse 24 wirkt mit einem außenkegelstumpfförmigen Steuerventilsitz 27, der an einem Ventilkörper 28 ausgebildet ist. Innerhalb der Steuerhülse 24 ist ein Druckstift 29 angeordnet, der als von dem Ventilkörper 28 separates Bauteil ausgebildet ist und der sich in axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach oben an einem nicht gezeigten Bauteil abstützt. Der Druckstift 29 dient in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zur Führung der Steuerhülse 24 in axialer Richtung. Zusätzlich oder alternativ kann eine Führung für die Steuerhülse 24 an ihrem Außenumfang vorgesehen werden.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Steuerhülse 24 einstückig mit einer Ankerplatte 30 ausgebildet, die mit einem elektromagnetischen Aktuator 31 zusammenwirkt, derart, dass die Ankerplatte 30 und damit die Steuerhülse 24 bei bestromtem elektromagnetischen Aktuator 31 in der Zeichnungsebene nach oben bewegt werden, so dass Kraftstoff aus dem Druckraum 23 in einen Niederdruckbereich 32 des Kraftstoffinjektors und von dort aus zu einem Rücklauf 33 strömen kann, über den eine später noch zu erläuternde Steuermenge an Kraftstoff wieder dem Vorratsbehälter 14 zugeführt ist. Zum Schließen des Steuerventils 25 wird die Bestromung des elektromagnetischen Aktuators 31 unterbrochen und eine Steuerschließfeder 34 drückt die Steuerhülse 24 in axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach unten auf den Steuerventilsitz 27.
  • Um einen Einspritzvorgang zu initiieren wird der elektromagnetische Aktuator 31 des Steuerventils 35 bestromt. Hierdurch hebt die Steuerhülse 24 von ihrem außenkegelstumpfförmigen Steuerventilsitz 27 ab, wodurch Kraftstoff aus der Steuerkammer 18 durch den Ablaufkanal 21 mit Ablaufdrossel 22 und den Druckraum 23 radial zwischen der unteren Stirnseite der Steuerhülse 24 und dem Steuerventilsitz vorbei in den Niederdruckbereich 32 und damit zum Rücklauf 33 strömen kann. Dabei sind die Durchflussquerschnitte der Ablaufdrossel 22 und der Zulaufdrossel 20, über die weiterhin Kraftstoff in die Steuerkammer 18 nachströmt, so aufeinander abgestimmt, dass ein Nettoabfluss (Steuermenge) von Kraftstoff in den Niederdruckbereich 32 und von dort aus in den Rücklauf 33 resultiert. In der Folge sinkt der Druck innerhalb der Steuerkammer 18 rapide ab, wodurch sich das Einspritzventilelement 3, unterstützt durch den unter Hochdruck stehenden Kraftstoff im Düsenraum 7 in axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach oben bewegt und den Kraftstofffluss durch die Einspritzöffnungen 6 in den Brennraum der Brennkraftmaschine freigibt.
  • Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des elektromagnetischen Aktuators 31 unterbrochen, so dass die Steuerhülse 24 von der Steuerschließfeder 34 auf ihren Steuerventilsitz 27 bewegt wird. Durch den durch die Zulaufdrossel 20 in die Steuerkammer 18 nachströmenden Kraftstoff steigt der Druck in der Steuerkammer 18 rapide an, so dass sich das Einspritzventilelement 3 auf seinen Ventilsitz in der Zeichnungsebene nach unten bewegt und den Kraftstofffluss durch die Einspritzöffnungen 6 somit unterbricht.
  • In Fig. 6 ist eine mögliche Ausführung des Sitzbereichs des Steuerventils 25 vergrößert gezeigt. Zu erkennen ist die Steuerhülse 24, in der der Druckstift 29 aufgenommen ist und somit den von der Steuerhülse 24 radial außen begrenzten Druckraum 23 in axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach oben abdichtet und die Druckkräfte aufnimmt. Zu erkennen ist ferner der stirnseitige Dichtbereich 35 der Steuerhülse 24 mit seiner ringförmigen Dichtfläche 36, die mit dem außenkegelstumpfförmigen Steuerventilsitz 27 zusammenwirkt.
  • Zu erkennen ist ferner der Ablaufkanal 21, aus dem Kraftstoff aus der Steuerkammer in den Druckraum 23 strömen kann. Der Konuswinkel α des Steuerventilsitzes 27 beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 120°. Bevorzugt ist eine noch größere Ausbildung des Konuswinkels, insbesondere von etwa 160°. Der Konuswinkel wird gebildet von der Mantelfläche 37 des Steuerventilsitzes 27, genauer von zwei in einer die Längsmittelachse L des Steuerventilsitzes aufnehmenden Ebene liegenden Abschnitte der Mantelfläche 37. Durch die Wahl des Konuswinkels α wird ein Schlupf beim Anschlagen der Steuerhülse 24 in radialer Richtung relativ zu dem Steuerventilsitz 27 zumindest weitgehend vermieden.
  • Wie sich ebenfalls aus Fig. 2 ergibt, liegt die Dichtfläche 36, die mit der Mantelfläche 37 zusammenwirkt auf einem innenkonusförmigen Abschnitt 26 mit einem Innenkonuswinkel β von in diesem Ausführungsbeispiel etwa 125°. Wesentlich ist, dass der Innenkonuswinkel β des die ringförmige Dichtfläche 36 aufweisenden Abschnitts 26, der an dem Axialfortsatz 38 angeordnet ist, (etwas) größer ist als der Konuswinkel α des außenkegelstumpfförmigen Steuerventilsitzes 27.
  • Zu erkennen ist ferner, dass die Dichtfläche 36 an einem ringförmigen Axialfortsatz 38 an der Stirnseite der Steuerhülse 24 angeordnet ist, wobei sich die Dichtfläche 36 unmittelbar ausgehend vom Innenumfang der Steuerhülse 24 sowohl in radialer als auch in axialer Richtung erstreckt. Der Axialfortsatz 38 mit dem die Dichtfläche 36 aufweisenden innenkonusförmigen Abschnitt 26 geht radial nach außen leicht konkav gekrümmt in eine stirnseitige Ringfläche 39 der Steuerhülse über, wobei die Ringfläche 39 in einer senkrecht zur Längsmittelachse L verlaufenden Ebene liegt. Hierdurch wird die maximale Erstreckung, der sich durch Verschleiß vergrößernden Dichtfläche 36 begrenzt.

Claims (10)

  1. Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor mit einer Steuerhülse (24), die einen Druckraum (23) begrenzt und die in Längsrichtung beweglich gelagert ist, wobei die Steuerhülse (24) an ihrer Stirnseite eine Dichtfläche (36) aufweist, mit der sie mit einem an einem Ventilkörper (28) ausgebildeten, außenkegelstumpfförmigen Steuerventilsitz (27) zusammenwirkt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Konuswinkel des Steuerventilsitzes (27) aus einem Wertebereich zwischen 120° und 170° gewählt ist.
  2. Steuerventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Konuswinkel des Steuerventilsitzes (27) aus einem Wertebereich zwischen 130° und 170°, insbesondere aus einem Wertebereich zwischen 140° und 170°, vorzugsweise aus einem Wertebereich zwischen 150° und 170°, insbesondere bevorzugt zwischen 155° und 165° gewählt ist.
  3. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Konuswinkel etwa 160° beträgt.
  4. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Dichtfläche (36) an einem innenkonusförmigen Abschnitt (26) der Steuerhülse (24) ausgebildet ist.
  5. Steuerventil nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Innenkonuswinkel des die Dichtfläche (36) aufweisenden Abschnittes (26) größer ist als der Konuswinkel des Steuerventilsitzes (27).
  6. Steuerventil nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Innenkonuswinkel um einen Winkel aus einem Wertebereich zwischen 1° und 10°, insbesondere zwischen 2° und 9°, vorzugsweise zwischen 3° und 6°, größer ist als der Konuswinkel des Steuerventilsitzes (27).
  7. Steuerventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Dichtfläche (36) an die innere Umfangswand der Steuerhülse (24) angrenzt und sich von dieser nach radial außen und in axialer Richtung erstreckt.
  8. Steuerventil nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Dichtfläche (36) an einem stirnseitigen, ringförmigen Axialfortsatz (38) der Steuerhülse (24) angeordnet ist an den radial nach außen eine Ringfläche (39) anschließt, die quer zur Längserstreckung der Steuerhülse (24) verläuft oder mit einer gedachten quer zur Längserstreckung der Steuerhülse (24) angeordneten Ebene einen Winkel aus einem Bereich zwischen -20° und + 20° einschließt.
  9. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuerhülse (24), wenn diese am Steuerventilsitz (27) anliegt, in axialer Richtung druckausgeglichen ist.
  10. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere Common-Rail-Injektor, mit einem Steuerventil (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit dem der Kraftstoffdruck in einer mit einer mit einem Einspritzventilelement (3) wirkverbundenen Steuerkammer (18) beeinflussbar ist, wobei das Einspritzventilelement (3) in Abhängigkeit des Kraftstoffdruckes in der Steuerkammer (18) zwischen einer Schließstellung und einer den Kraftstofffluss in den Brennraum freigebenden Öffnungsstellung verstellbar ist.
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