EP2454467B1 - Ventilanordnung - Google Patents

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EP2454467B1
EP2454467B1 EP20100724357 EP10724357A EP2454467B1 EP 2454467 B1 EP2454467 B1 EP 2454467B1 EP 20100724357 EP20100724357 EP 20100724357 EP 10724357 A EP10724357 A EP 10724357A EP 2454467 B1 EP2454467 B1 EP 2454467B1
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EP
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valve
closing element
fuel injection
closing
pressure fuel
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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 date
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    • Y10T137/7761—Electrically actuated valve

Definitions

  • the present invention relates to a valve assembly for a high-pressure fuel injection, in particular for the gasoline direct injection with pressures of over 20 MPa.
  • 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 the injection holes of the injection nozzle. The resulting small flow cross-section in the valve seat of the open valve also leads to an undesirable reduction or throttling of the injection pressure.
  • this solution of the prior art is not adequately suited to at further increased injection pressures, as z. B. are required to reduce the particulate emissions in the exhaust gas to be used.
  • a fuel injector is already known with an injection valve to which fuel is supplied under high pressure, the injector having an outer valve needle which is tubular and coaxially surrounds an inner valve needle whose lower end portion is designed to close and release injection ports.
  • the outer valve needle in operation, depending on its position, releases or throttles the supply of fuel to the lower end portion of the inner valve needle, providing a control chamber which in operation is filled by a high pressure fuel line.
  • a control valve is provided, which is coupled for its actuation with an actuator and which serves to influence the pressure in the control chamber.
  • the control valve is designed as a 3/3-way valve, of which a third connection via a flow restrictor (A-throttle) is connected to the control chamber, a second connection via a first inflow throttle connected to a high-pressure fuel operating line is throttled, and of which a first terminal is connected to a low pressure region, wherein in a first position of the control valve, only the third and second ports are interconnected, in a second position of the control valve whose three ports are connected together, and at third position of the control valve, the second port is connected via a second inflow throttle extending in series to the first inflow throttle in the control valve to the third port and to the first port, wherein in the first and second positions, the pressure at the first port is higher than the low pressure.
  • A-throttle flow restrictor
  • valve assembly according to the invention with the features of claim 1 has the advantage over that in this case also at High pressure applications only small forces to open the valve are needed, which can be provided by means of a low-cost electromagnetic actuator.
  • valve assembly according to the invention can also be provided for operation with injection pressures well above 20 MPa and with high switching dynamics, a sufficiently large flow cross-section, 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.
  • the pilot valve 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 may have a large seat diameter, so that no undesirable reduction of the injection pressure due to the throttling effect in the region of the valve seat occurs.
  • 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.
  • a support piston of the main valve on a directed to a spray hole of a nozzle spherical surface is preferably provided. 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 is arranged in a housing of the valve arrangement 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 its position predetermines a closing force of the closing spring.
  • 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.
  • FIGS. 1 to 4 a valve assembly 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, an electromagnetic actuator 21, and a housing 20.
  • the pilot valve 3 comprises a Vorventilnadel 5, a Vorventilsitz 9 and a pressure chamber 18.
  • Vorventilkugel 9 a, z. B. by means of a weld, attached.
  • the Vorventilkugel 9a is arranged in a closing element 7 which is fixedly connected to a arranged in the interior of the closing element 7 Vorventilhub adjustment sleeve 12 by means of a weld A.
  • valve assembly 1 comprises a main valve 4 with the closing element 7, a main valve seat 10, a cylindrical support piston 20a, a pressure compensation chamber 13 (see FIG. 2 ) and spray holes 11 a, which are arranged in a nozzle 11.
  • 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.
  • a magnet cover 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 periphery of the housing 20.
  • a first closing spring 8 is arranged, which is in contact with an armature guide 24a of the magnet armature 24, which is fixed to an end region of the pilot valve needle 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.
  • a gap S is formed so that the magnet armature 24 in the housing 20 is displaceable.
  • a plurality of axial openings 24b and 24c are further provided to allow an unobstructed fuel flow to the injection side.
  • an armature spring 23 is biased to return the magnet armature 24 to the initial position when the electromagnetic actuator 21 is inactivated.
  • a second closing spring 6 is arranged.
  • the support piston 20a at the injection end has a central spherical surface 20b with a diameter D1, 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 11 at a closing diameter which is only slightly larger than the outer diameter D 2, the closing element 7 abutting the main valve seat 10 on the inner surface of the nozzle 11.
  • One or more portions at the injection-side end of the closing member 7 are formed in the shape of a flat 7b to ensure an unrestricted 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. Fig. 2 ). Alternatively, the guide of the closing element 7 can also take place via corresponding shapes on the nozzle 11.
  • the Vorventilkugel 9a seals on the formed on the closing element 7 Vorventilsitz 9, wherein the fuel via radial communication holes 14 to the pressure chamber 18 is supplied.
  • 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 Vorventilkugel 9a when lifted from the Vorventilsitz 9 after a predetermined stroke contacts the Vorventilhub-adjusting sleeve 12 and the attached closing element 7 in the direction of To move the Vorventilfeder 6 to open the main valve.
  • valve arrangement 1 In a synopsis of FIG. 1 and FIG. 2 the function of the valve arrangement 1 according to the invention will be described below.
  • the pilot valve ball 9a lifts off from the pilot valve seat 9
  • the high-pressure fuel flows into the pressure equalization chamber 13 formed between the support piston 20a and the connecting bore 19, in which the high pressure forms immediately thereafter.
  • the closing element 7 can be lifted almost force-free from the main valve seat 10.
  • the pilot valve ball 9a is moved upward until it contacts the driver portion 15 which is formed at the end of the pilot valve adjusting sleeve 12 facing the pilot valve ball 9a. As a result, 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 11.
  • the closing element 7 moves so far in the axial direction XX until the magnet armature 24 reaches the upper stop on the inner pole 25.
  • the pilot valve needle 5 is moved downwards by the force F1 of the first closing spring 8 toward the injection side.
  • the pilot valve 3 remains open, so that the fuel from the pressure compensation bore 19 and the lateral connection holes 14 in the closing element 7 can flow back into the interior of the housing 20. Only when the closing element 7 then rests again on the main valve seat 10, the pilot valve 3 begins to close again.
  • a reliable closing of the pilot valve is made possible by the spring force F1 is chosen to be greater than the spring force F2.
  • FIG. 3 is a perspective view of a preassembled assembly of a valve needle assembly 2 of the valve assembly 1 according to the invention illustrated.
  • 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. is adjusted and fixed by welding or alternatively by pressing or screwing with the closing element 7. Thereafter, the second closing spring 6 can be pushed onto the pilot valve needle 5 and biased by appropriate fixing of the second closing spring adjusting sleeve 12a with the desired biasing force F2. Thereafter, the armature 24 is pushed onto the pilot valve needle 5.
  • the armature 24 may in this case either be firmly connected to the pilot valve needle 5 or optionally, as in FIG. 3 represented, axially slidably mounted on the pilot valve needle 5.
  • the armature spring 23 biases the magnet armature 24 against the armature guide 24a firmly connected to the pilot valve needle 5. This makes it possible that the armature 24 can swing through after closing of the injection valve in the direction of the injection side, whereby a bounce reduction is achieved.
  • the valve needle assembly 2 is completely mounted and can, as in FIG. 4 represented as a whole in the housing 20 are used. 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 the case of a conical valve seat 10, it is expedient to provide the closing element 7 in the seating area with a radius which is so great that the main valve seat 10 forms the tangent to the resulting spherical segment. As a result, even with slight tilting of the closing element 7, a reliable seal on the main valve seat 10 can be achieved.
  • valve arrangement 1 according to the invention has a small number of geometrically simple components to be produced.
  • the movable components of the valve arrangement 1 according to the invention can be combined to form a separate assembly, which are mounted independently of the other valve components 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 injection pressures. Thus, in a cost effective manner, individual components such. As the nozzle by modifications of the seat diameter, and / or the number of spray holes and / or the spray 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 standard injection valves of the prior art and is accordingly suitable for a series production of injection valves. Furthermore, the valve assembly according to the invention distinguishes a built-in compatibility with currently available high-pressure injection valves.

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  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Description

    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 Kraftstoffmenge 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.
  • Aus der DE 10 2004 030 447 A1 ist bereits eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit einem Einspritzventil, dem Kraftstoff unter hohem Druck zugeführt wird, bekannt, wobei das Einspritzventil eine äußere Ventilnadel aufweist, die rohrförmig ist und eine innere Ventilnadel koaxial umgibt, deren unterer Endbereich zum Schließen und Freigegeben von Einspritzöffnungen ausgebildet ist. Die äußere Ventilnadel gibt im Betrieb in Abhängigkeit von ihrer Stellung die Zufuhr von Kraftstoff zu dem unteren Endbereich der inneren Ventilnadel frei oder drosselt, wobei eine Steuerkammer vorgesehen ist, die im Betrieb von einer Hochdruckleitung für Kraftstoff her gefüllt wird. Außerdem ist ein Steuerventil vorgesehen, das für seine Betätigung mit einem Aktor gekoppelt ist und das zur Beeinflussung des Drucks in der Steuerkammer dient. Das obere Ende der äußeren Ventilnadel und der inneren Ventilnadel bildet eine untere Begrenzung der Steuerkammer, so dass die Stellung der Ventilnadeln jeweils in Abhängigkeit vom Druck in ihrem unteren Endbereich und dem Druck in der Steuerkammer hubgesteuert ist. Das Steuerventil ist als 3/3-Wege-Ventil ausgebildet, von dem ein dritter Anschluss über eine Abflussdrossel (A-Drossel) mit der Steuerkammer verbunden ist, ein zweiter Anschluss über eine erste Zuflussdrossel mit einer bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck führenden Leitung verbunden ist, und von dem ein erster Anschluss gedrosselt mit einem Bereich niedrigen Drucks verbunden ist, wobei bei einer ersten Stellung des Steuerventils nur dessen dritter und zweiter Anschluss miteinander verbunden sind, bei einer zweiten Stellung des Steuerventils dessen drei Anschlüsse miteinander verbunden sind, und bei einer dritten Stellung des Steuerventils der zweite Anschluss über eine in Reihe zur ersten Zuflussdrossel verlaufende zweite Zuflussdrossel im Steuerventil mit dem dritten Anschluss und mit dem ersten Anschluss verbunden ist, wobei in der ersten und zweiten Stellung der Druck am ersten Anschluss höher ist als der niedrige Druck.
    • 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 11 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 11 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 + 20N = 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 11 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 (11)

  1. Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung, umfassend
    - ein Vorventil (3) mit einer Vorvenfilnadel (5), einen Vorventilsitz (9) und einen Druckraum (18),
    - einen elektromagnetischen Aktuator (21) zur Betätigung der Vorventinadel (5), und
    - ein Hauptventil (4) mit wenigstens einem Spritzloch (11a), 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,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass 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 (11a) 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 (11a) 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.
  11. 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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