EP2454467A1 - Ventilanordnung - Google Patents

Ventilanordnung

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EP2454467A1
EP2454467A1 EP10724357A EP10724357A EP2454467A1 EP 2454467 A1 EP2454467 A1 EP 2454467A1 EP 10724357 A EP10724357 A EP 10724357A EP 10724357 A EP10724357 A EP 10724357A EP 2454467 A1 EP2454467 A1 EP 2454467A1
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EP
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valve
closing element
fuel injection
closing
pressure fuel
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EP10724357A
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Sebastian Jansen
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication of EP2454467B1 publication Critical patent/EP2454467B1/de
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    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/7722—Line condition change responsive valves
    • Y10T137/7758—Pilot or servo controlled
    • Y10T137/7761—Electrically actuated valve

Definitions

  • the present invention relates to a valve arrangement for a
  • High-pressure fuel injection in particular for gasoline direct injection with pressures of more than 20 MPa.
  • valves for gasoline direct injection exact dosage of the injected fuel quantity must be guaranteed even with a high switching dynamics and high injection pressures.
  • the actuator used for driving the valve needle in this case must apply high forces, resulting in a deterioration of the
  • valve seat diameter is usually chosen as small as possible. However, this leads to a reduced hydraulic effective area and a very small remaining space for the arrangement of
  • Particulate emissions in the exhaust gas are required to be used.
  • Patent claim 1 in contrast, has the advantage that in this case also in High pressure applications only small forces to open the valve are needed, which can be provided by means of a low-cost electromagnetic actuator.
  • the valve arrangement according to the invention moreover, even for operation with injection pressures well above 20 MPa and with high switching dynamics, a sufficiently large flow cross-section can be provided so that no internal throttling of the fuel to be injected occurs during the injection phase.
  • This is inventively achieved in that the hydraulic force to be overcome by the electromagnetic actuator when opening the valve is drastically reduced by opening a pilot valve before opening a main valve.
  • This pilot valve has only a small seat diameter and is therefore exposed to only a small hydraulic closing force. By opening the pilot valve, the pressure rises in a pressure equalization chamber and the main valve can be opened almost without force.
  • the main valve can have a large
  • the movable components of the valve d. H. the pilot valve, the main valve and a magnetic armature of the electric actuator, are combined into a separate assembly that can be easily assembled and adjusted independently of the other valve components and then installed in the valve body. This enables a parallel production of several of these modules.
  • a driver region is arranged on a closing element of the pilot valve, which can be brought into contact after opening the pilot valve with a Vorventilnadel to open the main valve. Consequently, the valve assembly according to the invention can be produced more cheaply and faster due to the reduced number and simple geometry of the components.
  • Spray hole of a nozzle directed spherical surface. This will be a achieved independent tolerance compensation, since the support piston can freely position within the closing element in terms of its angular position.
  • a closing diameter of a closing element of the main valve is formed only slightly larger than the outer diameter of the supporting piston. Due to the accordingly very small resulting hydraulic effective area of the fuel at high pressure on the closing element thus only a small opening force for the main valve is required.
  • the closing diameter is preferably greater by 0.3 to 0.7 mm, in particular by a maximum of 0.5 mm.
  • the electromagnetic actuator comprises an inner pole, which in a housing of the electromagnetic actuator
  • Valve assembly is arranged by means of a press fit.
  • an adjusting sleeve is further arranged by means of a press fit, which is in contact with a first closing spring and by their position a closing force of
  • a gap seal is provided in the valve arrangement according to the invention between the support piston and the closing element.
  • the support piston has a wide chamfer on a side directed toward the injection hole. This allows a low-resistance fuel flow to the spray holes.
  • the driver portion is formed as a sleeve which is connected to the closing element.
  • a second closing spring which is supported on the pilot valve needle via a sleeve exerts a force on the closing element.
  • the contact force is reduced in the Vorventilsitz so that the pilot valve and thus the main valve can be opened faster.
  • a fast closing of the valve is effected by the first closing spring.
  • Figure 1 is a simplified schematic sectional view of
  • Figure 2 is a simplified schematic enlarged sectional view of the pilot valve and main valve of the invention
  • Valve arrangement of Figure 1 is a perspective view of the preassembled assembly of the valve needle assembly.
  • Figure 4 is a perspective view of the housing
  • pre-assembled module absorbs.
  • Valve arrangement 1 of a fuel injection system according to a preferred embodiment of the invention described in detail.
  • the valve arrangement 1 comprises a pilot valve 3, a main valve 4, a
  • electromagnetic actuator 21 as well as a housing 20.
  • the pilot valve 3 comprises a pilot valve needle 5, a Vorventilsitz 9 and a pressure chamber 18. At the injection-side end of the pilot valve needle 5 is an in
  • valve assembly 1 comprises a main valve 4 with the closing element
  • the closing element 7 has a receiving space 7a in which the axially displaceable supporting piston 20a is arranged such that a gap seal 16 with a small gap height is formed between the closing element 7 and the supporting piston 20a.
  • a pressure compensation hole 19 in the closing element 7 is provided to reduce an opening force for the main valve 4.
  • the pressure compensation chamber 13 is formed between the support piston 20a and the pressure compensation bore 19.
  • an inner pole 25 and a magnet armature 24 of the electromagnetic actuator 21 are arranged inside the housing 20 of the valve assembly 1.
  • Magnetic lid 21 a and a magnet pot 21 b having a coil 21 c of the electromagnetic actuator 21 disposed therein are provided on the outer circumference of the housing 20. Inside the inner pole 25 is a first
  • Closing spring 8 is arranged, which is in contact with an armature guide 24a of the armature 24, which is fixed to an end portion of the pilot valve 5.
  • the first closing spring 8 is biased by means of a first closing spring adjusting sleeve 26, which is pressed into the inner pole 25.
  • an armature spring 23 is arranged biased to the
  • the support piston 20a has a central spherical surface 20b with a diameter D1 at the injection-side end, while an annular region between the
  • Diameter D1 of the spherical surface 20b and an outer diameter D2 of the support piston 20a is formed as a wide chamfer 20c.
  • the closing element 7 forms a seal with respect to the nozzle 1 1 at a closing diameter, which is only slightly larger than the outer diameter D 2, wherein the closing element 7 rests against the main valve seat 10 on the inner surface of the nozzle 11.
  • Closing element 7 are formed in the form of a flat 7b, to ensure an unobstructed fuel flow. Moreover, one or more portions of the closing member 7 are formed in the form of a guide surface 7c to provide guidance of the closing member 7 on the inner surface of the nozzle 11 (see Fig. 2). Alternatively, the guidance of the closing element 7 can also take place via corresponding forms on the nozzle 11. As can be seen further from FIG. 2, the pilot valve ball 9a seals over the valve
  • Vorventilhub-adjusting sleeve 12 At the injection-side end of the Vorventilhub-adjusting sleeve 12 also has a driver portion 15 is formed, which is attached to the Vorventilnadel 5
  • a spring force F1 of 40 N and a spring force F2 of 30 N and a hydraulic force F hyd of 20 N (which corresponds to a hydraulic force at a pilot valve seat diameter of 0.8 mm and an injection pressure of 40 MPa ) the pilot valve 3 at a
  • Vorventilkugel 9a facing the end of the pilot valve adjusting sleeve 12 is formed.
  • the closing element 7 is raised and releases the main valve seat 10, so that the fuel can flow through the injection holes 11 a of the nozzle 1 1.
  • the closing element 7 moves so far in the axial direction X-X until the
  • Magnetic armature 24 reaches the upper stop on the inner pole 25.
  • FIG. 3 illustrates a perspective illustration of a preassembled assembly of a valve needle arrangement 2 of the valve arrangement 1 according to the invention.
  • the valve needle assembly 2 is assembled by inserting the pilot valve needle 5 with the pilot ball 9a welded thereto into the closure member 7 and the pilot valve stroke via the pilot valve lift sleeve 12, e.g. B. by
  • Closing spring 6 is pushed onto the pilot valve needle 5 and by appropriately fixing the second closing spring adjusting sleeve 12a with the desired
  • Preload force F2 be biased. Thereafter, the armature 24 is pushed onto the pilot valve needle 5.
  • the magnet armature 24 can either be firmly connected to the pilot valve needle 5 or optionally, as shown in FIG. 3, be mounted on the pilot valve needle 5 in an axially displaceable manner.
  • the armature spring 23 biases the magnet armature 24 against the armature guide 24a firmly connected to the pilot valve needle 5. This will allow the
  • Magnetic anchor 24 can swing through after closing the injector in the direction of the injection side, whereby a bounce reduction is achieved.
  • valve needle assembly 2 After insertion of the support piston 20a into the closing element 7, the valve needle assembly 2 is completely assembled and, as shown in FIG. 4, can be inserted as a whole into the housing 20. Finally, the inner pole 25, the first closing spring 8 and the first closing spring adjusting sleeve 26 are pressed into the housing 20.
  • the illustrated valve needle assembly 2 provides with a small number of additional components, ie the closing element 7, the Vorventilhub adjustment sleeve 12, the support piston 20a, and the second closing spring 6 and the second closing spring adjusting sleeve 12a, the valve assembly 1 according to the invention with a controllable pressure equalization ready.
  • the pilot valve 5 including the pilot valve ball 9a attached thereto from existing prior art valves.
  • the nozzle 11 may be formed either conically or flat in the region of the main valve seat 10. In a conical valve seat 10, it is expedient to provide the closing element 7 in the seating area with a radius which is so large that the
  • Main valve seat 10 which forms tangent to the resulting ball segment.
  • valve arrangement 1 has in particular a low
  • the movable components of the valve arrangement 1 according to the invention can be combined to form a separate module which is independent of the others
  • Valve components are mounted and then inserted into the housing 20.
  • the simple adjustment of the valve strokes and the biasing forces of the springs is advantageous.
  • valve assembly 1 of the invention can provide a high switching dynamics even at high injection pressures.
  • valve assembly 1 allows easy adaptation, especially for future applications with further increased
  • Spray hole number and / or the injection hole geometry adapted and replaced according to the specific requirements.
  • valve assembly 1 also allows a substantially similar assembly process as in the production of
  • valve assembly according to the invention distinguishes a built-in compatibility with currently available high-pressure injection valves.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung, umfassend ein Vorventil (3) mit einer Vorventilnadel (5), einen Vorventilsitz (9) und einen Druckraum (18), einen elektromagnetischen Aktuator (21) zur Betätigung der Vorventilnadel (5), und ein Hauptventil (4) mit wenigstens einem Spritzloch (11 a), einem Schließelement (7), einem Stützkolben (20a) und einem Druckausgleichsraum (13), wobei das Schließelement (7) einen Aufnahmeraum (7a) aufweist, um den Stützkolben (20a) aufzunehmen und der Druckausgleichsraum (13) im Aufnahmeraum (7a) des Schließelements (7) gebildet ist, wobei der Vorventilsitz (9) am Schließelement (7) gebildet ist und das Vorventil (3) eine Verbindung zwischen dem Druckraum (18) und dem Druckausgleichsraum (13) bereitstellt, um eine Öffnungskraft für das Hauptventil (4) zu reduzieren.

Description

Beschreibung
Titel
Ventilanordnung Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für eine
Kraftstoffhochdruckeinspritzung, insbesondere für die Benzin-Direkteinspritzung mit Drücken von über 20 MPa.
Bei Ventilen zur Benzin-Direkteinspritzung muss eine exakte Dosierung der eingespritzten Kraftstoff menge selbst bei einer hohen Schaltdynamik und hohen Einspritzdrücken gewährleistet sein. Bei den Magnetventilanordnungen des Standes der Technik muss der zum Antrieb der Ventilnadel eingesetzte Aktuator hierbei hohe Kräfte aufbringen, was zu einer Verschlechterung der
Schaltdynamik führt. Um die Einspritzung selbst bei Drücken jenseits von 20 MPa zu ermöglichen, wird der Ventilsitz-Durchmesser üblicherweise möglichst klein gewählt. Dies führt jedoch zu einer verringerten hydraulischen Wirkfläche und einem sehr geringen verbleibenden Bauraum für die Anordnung der
Spritzlöcher der Einspritzdüse. Der daraus resultierende geringe
Strömungsquerschnitt im Ventilsitz des geöffneten Ventils führt darüber hinaus zu einer unerwünschten Reduzierung bzw. Drosselung des Einspritzdrucks.
Von daher ist diese Lösung des Standes der Technik nur unzureichend geeignet, um bei weiter gesteigerten Einspritzdrücken, wie sie z. B. zur Reduzierung der
Partikelemissionen im Abgas erforderlich sind, eingesetzt zu werden.
Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Ventilanordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass hierbei auch bei Hochdruckanwendungen nur geringe Kräfte zum Öffnen des Ventils benötigt werden, welche mittels eines kostengünstigen elektromagnetischen Aktuators bereitgestellt werden können. Durch die erfindungsgemäße Ventilanordnung kann darüber hinaus selbst für den Betrieb mit Einspritzdrücken weit über 20 MPa und mit hoher Schaltdynamik ein ausreichend großer Strömungsquerschnitt bereitgestellt werden, so dass keine innere Drosselung des einzuspritzenden Kraftstoffs während der Einspritzphase auftritt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die vom elektromagnetischen Aktuator beim Öffnen des Ventils zu überwindende hydraulische Kraft drastisch reduziert wird, indem vor dem Öffnen eines Hauptventils ein Vorventil geöffnet wird. Dieses Vorventil weist nur einen kleinen Sitzdurchmesser auf und ist demzufolge nur einer kleinen hydraulischen Schließkraft ausgesetzt. Durch das Öffnen des Vorventils steigt der Druck in einem Druckausgleichsraum an und das Hauptventil kann nahezu kraftfrei geöffnet werden. Dabei kann das Hauptventil einen großen
Sitzdurchmesser aufweisen, so dass keine unerwünschte Reduzierung des
Einspritzdrucks aufgrund der Drosselwirkung im Bereich des Ventilsitzes auftritt.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können die beweglichen Bauteile des Ventils, d. h. das Vorventil, das Hauptventil und ein Magnetanker des elektrischen Aktuators, zu einer separaten Baugruppe zusammengefasst werden, die unabhängig von den übrigen Ventilkomponenten auf einfache Weise zusammengebaut und justiert und anschließend in das Ventilgehäuse eingebaut werden kann. Dies ermöglicht eine parallele Fertigung mehrerer dieser Baugruppen.
Vorzugsweise ist an einem Schließelement des Vorventils ein Mitnehmerbereich angeordnet, der nach dem Öffnen des Vorventils mit einer Vorventilnadel in Kontakt bringbar ist, um das Hauptventil zu öffnen. Demzufolge kann die erfindungsgemäße Ventilanordnung aufgrund der reduzierten Anzahl und einfachen Geometrie der Bauteile kostengünstiger und schneller hergestellt werden. Weiterhin bevorzugt weist ein Stützkolben des Hauptventils eine zu einem
Spritzloch einer Düse gerichtete ballige Fläche auf. Hierdurch wird ein selbstständiger Toleranzausgleich erreicht, da sich der Stützkolben innerhalb des Schließelements hinsichtlich seiner Winkellage frei positionieren kann.
Besonders bevorzugt ist ein Schließdurchmesser eines Schließelements des Hauptventils nur geringfügig größer als der Außendurchmesser des Stützkolbens ausgebildet. Aufgrund der demgemäß sehr kleinen resultierenden hydraulischen Wirkfläche des Kraftstoffs mit hohem Druck am Schließelement ist somit nur eine kleine Öffnungskraft für das Hauptventil erforderlich. Der Schließdurchmesser ist vorzugsweise um 0,3 bis 0,7 mm, insbesondere um maximal 0,5 mm größer.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der elektromagnetische Aktuator einen Innenpol, der in einem Gehäuse der
Ventilanordnung mittels einer Presspassung angeordnet ist. Im Innenpol ist ferner eine Einstellhülse mittels einer Presspassung angeordnet, die mit einer ersten Schließfeder in Kontakt steht und durch ihre Position eine Schließkraft der
Schließfeder vorgibt. Auf diese Weise ist eine Einstellung der Kraft der
Schließfeder bzw. ein Toleranzausgleich der zu montierenden Bauteile bei der Montage möglich, da die Position der Presspassung in gewissem Umfang variabel ist.
Weiterhin bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Ventilanordnung zwischen dem Stützkolben und dem Schließelement eine Spaltdichtung vorgesehen.
Hierdurch wird eine leckagearme Abdichtung des Druckausgleichsraums bezüglich der Spritzlöcher bei gleichzeitig geringer Reibung und einfacher Montage der Bauteile erreicht.
Darüber hinaus weist der Stützkolben an einer zum Spritzloch gerichteten Seite eine breite Fase auf. Dadurch wird eine widerstandsarme Kraftstoffströmung zu den Spritzlöchern ermöglicht.
Besonders bevorzugt ist der Mitnehmerbereich als Hülse ausgebildet, die mit dem Schließelement verbunden ist. Hierdurch wird die Anzahl der losen Bauteile der Ventilanordnung reduziert und eine schnellere und vereinfachte Vormontage der Baugruppe ermöglicht. Weiterhin bevorzugt übt eine zweite Schließfeder, die sich an der Vorventilnadel über eine Hülse abstützt, eine Kraft auf das Schließelement aus. Hierdurch wird die Kontaktkraft im Vorventilsitz reduziert, so dass das Vorventil und somit auch das Hauptventil schneller geöffnet werden kann. Ein schnelles Schließen des Ventils wird durch die erste Schließfeder bewirkt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der
erfindungsgemäßen Ventilanordnung in geschlossenem
Zustand,
Figur 2 eine schematisch vereinfachte vergrößerte Schnittdarstellung des Vorventils und Hauptventils der erfindungsgemäßen
Ventilanordnung von Figur 1 , Figur 3 eine perspektivische Darstellung der vormontierten Baugruppe der Ventilnadelanordnung, und
Figur 4 eine perspektivische Darstellung des Gehäuses, die die
vormontierte Baugruppe aufnimmt.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 eine
Ventilanordnung 1 eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Wie aus der schematischen Schnittdarstellung von Figur 1 ersichtlich, umfasst die Ventilanordnung 1 ein Vorventil 3, ein Hauptventil 4, einen
elektromagnetischen Aktuator 21 , sowie ein Gehäuse 20.
Das Vorventil 3 umfasst eine Vorventilnadel 5, einen Vorventilsitz 9 und einen Druckraum 18. Am einspritzseitigen Ende der Vorventilnadel 5 ist eine im
Druckraum 18 angeordnete Vorventilkugel 9a, z. B. mittels einer Schweißnaht, befestigt. Die Vorventilkugel 9a ist in einem Schließelement 7 angeordnet, das mit einer im Inneren des Schließelements 7 angeordneten Vorventilhub- Einstellhülse 12 mittels einer Schweißnaht A fest verbunden ist. Ferner umfasst die Ventilanordnung 1 ein Hauptventil 4 mit dem Schließelement
7, einem Hauptventilsitz 10, einem zylindrischen Stützkolben 20a, einem
Druckausgleichsraum 13 (siehe Figur 2) sowie Spritzlöchern 11 a, die in einer Düse 11 angeordnet sind. Das Schließelement 7 weist einen Aufnahmeraum 7a auf, in dem der axial verschiebbare Stützkolben 20a so angeordnet ist, dass sich zwischen dem Schließelement 7 und dem Stützkolben 20a eine Spaltdichtung 16 mit geringer Spalthöhe bildet.
Zwischen dem am Schließelement 7 vorgesehenen Vorventilsitz 9 und dem Aufnahmeraum 7a des Stützkolbens 20a ist eine Druckausgleichsbohrung 19 im Schließelement 7 vorgesehen, um eine Öffnungskraft für das Hauptventil 4 zu reduzieren. Im Aufnahmeraum 7a ist zwischen dem Stützkolben 20a und der Druckausgleichsbohrung 19 der Druckausgleichsraum 13 ausgebildet.
Im Innern des Gehäuses 20 der Ventilanordnung 1 sind ein Innenpol 25 und ein Magnetanker 24 des elektromagnetischen Aktuators 21 angeordnet. Ein
Magnetdeckel 21 a und ein Magnettopf 21 b mit einer darin angeordneten Spule 21 c des elektromagnetischen Aktuators 21 sind auf dem Außenumfang des Gehäuses 20 vorgesehen. Im Inneren des Innenpols 25 ist eine erste
Schließfeder 8 angeordnet, die mit einer Ankerführung 24a des Magnetankers 24 in Berührung steht, der an einem Endbereich der Vorventilnadel 5 fixiert ist. Die erste Schließfeder 8 ist mittels einer ersten Schließfeder-Einstellhülse 26 vorgespannt, die in den Innenpol 25 eingepresst ist. Zwischen dem
Außenumfang des Magnetankers 24 und dem Innenumfang des Gehäuses 20 ist ein Spalt S ausgebildet, so dass der Magnetanker 24 im Gehäuse 20
verschiebbar ist. Im Magnetanker 24 und in der Ankerführung 24a sind ferner eine Mehrzahl von axialen Öffnungen 24b bzw. 24c vorgesehen, um einen ungehinderten Kraftstofffluss zur Einspritzseite zu ermöglichen. Zwischen dem Magnetanker 24 und einer an der Vorventilnadel 5 fixierten Ankerfeder- Einstellhülse 22 ist eine Ankerfeder 23 vorgespannt angeordnet, um den
Magnetanker 24 bei inaktiviertem elektromagnetischen Aktuator 21 wieder in die
Ausgangsposition zurückzuführen. Zwischen der Vorventilhub-Einstellhülse 12 und einer an der Vorventilnadel 5 z. B. mittels einer Schweißnaht fixierten zweiten Schließfeder-Einstellhülse 12a ist eine zweite Schließfeder 6 angeordnet.
In der schematisch vereinfachten und vergrößerten Schnittdarstellung von Figur 2 werden das Vorventil 3 und das Hauptventil 4 der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 1 näher veranschaulicht. Wie aus Figur 2 ersichtlich, weist der Stützkolben 20a am einspritzseitigen Ende eine mittige ballige Fläche 20b mit einem Durchmesser D1 auf, während ein ringförmiger Bereich zwischen dem
Durchmesser D1 der balligen Fläche 20b und einem Außendurchmesser D2 des Stützkolbens 20a als breite Fase 20c ausgebildet ist. Das Schließelement 7 bildet eine Abdichtung gegenüber der Düse 1 1 an einem Schließdurchmesser, welcher nur geringfügig größer als der Außendurchmesser D2 ist, wobei das Schließelement 7 am Hauptventilsitz 10 an der Innenoberfläche der Düse 11 anliegt. Ein oder mehrere Bereiche am einspritzseitigen Ende des
Schließelements 7 sind in Form einer Abflachung 7b ausgebildet, um einen ungehinderten Kraftstofffluss zu gewährleisten. Darüber hinaus sind ein oder mehrere Bereiche des Schließelements 7 in Form einer Führungsfläche 7c ausgebildet, um eine Führung des Schließelements 7 auf der Innenoberfläche der Düse 11 bereitzustellen (vgl. Fig. 2). Alternativ kann die Führung des Schließelements 7 auch über entsprechende Ausprägungen an der Düse 1 1 erfolgen. Wie aus Figur 2 weiter ersichtlich, dichtet die Vorventilkugel 9a über den am
Schließelement 7 ausgebildeten Vorventilsitz 9 ab, wobei der Kraftstoff über radiale Verbindungsbohrungen 14 zum Druckraum 18 zugeführt wird.
Am einspritzseitigen Ende der Vorventilhub-Einstellhülse 12 ist zudem ein Mitnehmerbereich 15 ausgebildet, den die mit der Vorventilnadel 5 befestigte
Vorventilkugel 9a beim Abheben vom Vorventilsitz 9 nach einem vorbestimmten Hub berührt, um die Vorventilhub-Einstellhülse 12 und das daran befestigte Schließelement 7 in Richtung zur Vorventilfeder 6 zu bewegen, um das
Hauptventil zu öffnen. In einer Zusammenschau von Figur 1 und Figur 2 wird nachfolgend die Funktion der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 1 beschrieben.
Wenn die Spule 21c des elektromagnetischen Aktuators 21 bestromt wird, bildet sich eine Magnetkraft, die den Magnetanker 24 in Richtung des Innenpols 25 bewegt. Der vom Magnetanker 24 ausführbare Hub kann durch entsprechend justiertes Einpressen des Innenpols 25 in das Gehäuse 20 eingestellt werden. Die Vorventilnadel 5 bewegt sich zusammen mit der daran befestigten
Vorventilkugel 9a in Axialrichtung X-X, sobald die Magnetkraft die Differenz aus einer Federkraft F1 der ersten Schließfeder 8 und einer Federkraft F2 der zweiten Schließfeder 6 zuzüglich einer hydraulischen Schließkraft Fhyd des Vorventils 3 übersteigt. So wird zum Beispiel bei einer Federkraft F1 von 40 N und einer Federkraft F2 von 30 N, sowie einer hydraulischen Kraft Fhyd von 20 N (was einer hydraulischen Kraft bei einem Vorventil-Sitzdurchmesser von 0,8 mm und einem Einspritzdruck von 40 MPa entspricht) das Vorventil 3 bei einer
Magnetkraft von 40 N - 30 N + 2ON = 30 N geöffnet. Sobald die Vorventilkugel 9a vom Vorventilsitz 9 abhebt, strömt der unter Hochdruck stehende Kraftstoff in den zwischen dem Stützkolben 20a und der Verbindungsbohrung 19
ausgebildeten Druckausgleichsraum 13, in dem sich unmittelbar darauf der Hochdruck ausbildet. Hierdurch kann das Schließelement 7 nahezu kraftfrei vom
Hauptventilsitz 10 abgehoben werden. Die Vorventilkugel 9a wird soweit nach oben bewegt, bis sie den Mitnehmerbereich 15 berührt, der an dem der
Vorventilkugel 9a zugewandten Ende der Vorventil-Einstellhülse 12 ausgebildet ist. Dadurch wird das Schließelement 7 angehoben und gibt den Hauptventilsitz 10 frei, so dass der Kraftstoff durch die Spritzlöcher 11 a der Düse 1 1 strömen kann.
Das Schließelement 7 bewegt sich soweit in Axialrichtung X-X, bis der
Magnetanker 24 den oberen Anschlag am Innenpol 25 erreicht. Wenn die Spule 21c des elektromagnetischen Aktuators 21 inaktiviert wird und die erzeugte
Magnetkraft verschwindet, wird die Vorventilnadel 5 durch die Kraft F1 der ersten Schließfeder 8 in Richtung zur Einspritzseite, d. h. nach unten bewegt. Infolge der noch wirksamen Federkraft F2 der zweiten Schließfeder 6 bleibt das
Vorventil 3 geöffnet, so dass der Kraftstoff aus den Druckausgleichsbohrung 19 und den seitlichen Verbindungsbohrungen 14 im Schließelement 7 wieder in den
Innenraum des Gehäuses 20 zurückfließen kann. Erst wenn das Schließelement 7 danach wieder am Hauptventilsitz 10 aufliegt, beginnt sich das Vorventil 3 wieder zu schließen. Ein zuverlässiges Schließen des Vorventils wird dadurch ermöglicht, dass die Federkraft F1 größer als die Federkraft F2 gewählt wird. Wenn die Vorventilkugel 9a wieder auf dem Vorventilsitz 9 aufliegt, ist das Einspritzventil wieder vollständig abgedichtet.
In Figur 3 ist eine perspektivische Darstellung einer vormontierten Baugruppe einer Ventilnadelanordnung 2 der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 1 veranschaulicht.
Die Ventilnadelanordnung 2 wird montiert, indem die Vorventilnadel 5 mit der daran angeschweißten Vorventilkugel 9a in das Schließelement 7 eingeführt wird und der Vorventilhub über die Vorventilhub-Einstellhülse 12, z. B. durch
Verschweißen oder alternativ durch Einpressen oder Verschrauben mit dem Schließelement 7 eingestellt und fixiert wird. Danach kann die zweite
Schließfeder 6 auf die Vorventilnadel 5 aufgeschoben und durch entsprechendes Fixieren der zweiten Schließfeder-Einstellhülse 12a mit der gewünschten
Vorspannkraft F2 vorgespannt werden. Danach wird der Magnetanker 24 auf die Vorventilnadel 5 aufgeschoben. Der Magnetanker 24 kann hierbei entweder fest mit der Vorventilnadel 5 verbunden sein oder optional, wie in Figur 3 dargestellt, axial verschiebbar auf der Vorventilnadel 5 gelagert sein. In diesem Fall spannt die Ankerfeder 23 den Magnetanker 24 gegen die mit der Vorventilnadel 5 fest verbundene Ankerführung 24a vor. Dadurch wird ermöglicht, dass der
Magnetanker 24 nach dem Schließen des Einspritzventils in Richtung zur Einspritzseite durchschwingen kann, wodurch eine Prellreduzierung erreicht wird.
Nach dem Einschieben des Stützkolbens 20a in das Schließelement 7 ist die Ventilnadelanordnung 2 komplett montiert und kann, wie in Figur 4 dargestellt, als Ganzes in das Gehäuse 20 eingesetzt werden. Abschließend werden der Innenpol 25, die erste Schließfeder 8 und die erste Schließfeder-Einstellhülse 26 in das Gehäuse 20 eingepresst.
Die dargestellte Ventilnadelanordnung 2 stellt mit einer geringen Anzahl zusätzlicher Bauteile, d. h. dem Schließelement 7, der Vorventilhub-Einstellhülse 12, dem Stützkolben 20a, sowie der zweiten Schließfeder 6 und der zweiten Schließfeder-Einstellhülse 12a, die erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 mit einem steuerbaren Druckausgleich bereit. Hierbei kann die Vorventilnadel 5 einschließlich der daran befestigten Vorventilkugel 9a von bestehenden Ventilen des Standes der Technik übernommen werden. Die Düse 11 kann im Bereich des Hauptventilsitzes 10 entweder kegelförmig oder eben ausgebildet sein. Bei einem kegelförmigen Ventilsitz 10 ist es zweckmäßig, das Schließelement 7 im Sitzbereich mit einem Radius zu versehen, der so groß ist, dass der
Hauptventilsitz 10 die Tangente zum resultierenden Kugelsegment bildet.
Hierdurch kann auch bei leichtem Verkippen des Schließelements 7 eine zuverlässige Abdichtung am Hauptventilsitz 10 erreicht werden. Die erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 weist insbesondere eine geringe
Anzahl geometrisch einfach herzustellender Bauteile auf. Die beweglichen Bauteile der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 1 können zu einer separaten Baugruppe zusammengefasst werden, die unabhängig von den übrigen
Ventilkomponenten montiert und anschließend in das Gehäuse 20 eingesetzt werden. Hierbei ist insbesondere die einfache Justierung der Ventilhübe sowie der Vorspannkräfte der Federn von Vorteil.
Durch die sehr kleinen hydraulischen Kräfte und nur geringen bewegten Massen kann die erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 auch bei hohen Einspritzdrücken eine hohe Schaltdynamik bereitstellen.
Der modulare Aufbau der Ventilanordnung 1 erlaubt eine einfache Adaptierung insbesondere für zukünftige Einsatzzwecke mit weiter gesteigerten
Einspritzdrücken. Somit können auf kostengünstige Weise einzelne Bauteile, wie z. B. die Düse durch Modifikationen des Sitzdurchmessers, und/oder der
Spritzlochanzahl und/oder der Spritzlochgeometrie, entsprechend den spezifischen Anforderungen angepasst und ausgetauscht werden.
Die erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 ermöglicht außerdem einen weitgehend ähnlichen Montageprozess wie bei der Herstellung von
serienmäßigen Einspritzventilen des Standes der Technik und ist
dementsprechend für eine Serienfertigung von Einspritzventilen geeignet. Ferner zeichnet die erfindungsgemäße Ventilanordnung eine Einbaukompatibilität zu heute verfügbaren Hochdruckeinspritzventilen aus.

Claims

Ansprüche
1. Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung, umfassend
ein Vorventil (3) mit einer Vorventilnadel (5), einen Vorventilsitz (9) und einen Druckraum (18),
- einen elektromagnetischen Aktuator (21 ) zur Betätigung der Vorventilnadel
(5), und
ein Hauptventil (4) mit wenigstens einem Spritzloch (1 1a), einem
Schließelement (7), einem Stützkolben (20a) und einem
Druckausgleichsraum (13), wobei das Schließelement (7) einen Aufnahmeraum (7a) aufweist, um den Stützkolben (20a) aufzunehmen und der Druckausgleichsraum (13) im Aufnahmeraum (7a) des Schließelements
(7) gebildet ist,
- wobei der Vorventilsitz (9) am Schließelement (7) gebildet ist und das
Vorventil (3) eine Verbindung zwischen dem Druckraum (18) und dem Druckausgleichsraum (13) bereitstellt, um eine Öffnungskraft für das
Hauptventil (4) zu reduzieren.
2. Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Vorventil (3) und das Hauptventil (4) und ein Magnetanker (24) des elektromagnetischen Aktuators (21 ) eine vormontierbare Baugruppe bilden.
3. Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass am Schließelement (7) ein Mitnehmerbereich (15) angeordnet ist, welcher nach einem Öffnen des Vorventils (3) mit der
Vorventilnadel (5) in Kontakt bringbar ist, um das Hauptventil (4) zu öffnen.
4. Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkolben (20a) eine zum Spritzloch (1 1a) gerichtete, ballige Fläche (20b) aufweist.
5. Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Schließdurchmesser des Schließelements (7) nur geringfügig größer, vorzugsweise um 0,3 mm bis 0,7 mm, insbesondere um maximal 0,5 mm größer als ein Außendurchmesser des Stützkolbens (20a) ist.
6. Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
elektromagnetische Aktuator (21 ) einen Innenpol (25) umfasst, wobei der
Innenpol (25) in einem Gehäuse (20) der Ventilanordnung mittels einer Presspassung angeordnet ist.
7. Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch eine Einstellhülse (26), welche mittels einer
Presspassung im Innenpol (25) angeordnet ist, wobei die Einstellhülse (26) mit einer Schließfeder (8) in Kontakt steht und eine Position der Einstellhülse (26) im Innenpol (25) eine Schließkraft der Schließfeder (8) vorgibt.
8. Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stützkolben (20a) und dem Schließelement (7) eine Spaltdichtung (16) vorgesehen ist.
9. Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkolben (20a) an einer zum Spritzloch (1 1a) gerichteten Seite eine breite Fase (20c) aufweist.
10. Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Mitnehmerbereich (15) eine Hülse ist, welche mit dem Schließelement (7) verbunden ist.
1 1. Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Schließfeder (6), die sich an der Vorventilnadel (5) über eine Hülse (12a) abstützt, eine Kraft auf das Schließelement (7) ausübt, um das
Schließelement (7) in den Hauptventilsitz (10) zu drücken.
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