WO1999019622A1 - Elektrisch ansteuerbares ventil - Google Patents

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Christoph Espey
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Daimlerchrysler Ag
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/44—Details, components parts, or accessories not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M59/02 - F02M59/42; Pumps having transducers, e.g. to measure displacement of pump rack or piston
    • F02M59/46—Valves
    • F02M59/466—Electrically operated valves, e.g. using electromagnetic or piezoelectric operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/007—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of the groups F02M63/0014 - F02M63/0059
    • F02M63/0077—Valve seat details
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/04—Fuel-injection apparatus having means for avoiding effect of cavitation, e.g. erosion

Definitions

  • the invention relates to an electrically controllable valve according to the preamble of claim 1.
  • Electrically controllable valves which are actuated by electromagnets, piezoelectric elements and the like are used, inter alia, in fuel injection devices for internal combustion engines.
  • a feed pump supplies the fuel with a low pressure to the suction side of a high-pressure pump, usually a mechanically driven piston pump, which injects the fuel into the internal combustion engine at high pressure via an injection valve.
  • the amount of fuel injected per working cycle is limited by the fact that an electrically controllable valve establishes the connection between the pressure line of the injection pump and a return flow channel and thus ends the effective delivery of the injection stroke.
  • a generic valve of an injection device is known from DE 34 06 198 C2.
  • the electromagnetically actuated valve has a valve seat, a valve stem with a guide part, a valve body in the form of a valve disk, an electromagnetic device and a valve spring.
  • the valve stem is axially movably guided in a valve housing with a guide part, an electromagnet in the excited state pulling the valve body against a valve seat against the force of the valve spring via an elastic element and the valve spring in the de-energized state of the electromagnet opens the valve body a limited distance.
  • the fuel is supplied to the valve via a pressure channel which opens into an annular space between the valve seat and the guide part.
  • the guide part has a shoulder towards the annular space, the annular surface of which essentially corresponds to the hydraulically effective diameter of the valve body, so that the pressure forces acting on the valve body on the valve stem are balanced.
  • the object of the invention is to improve the flow conditions in the region of the valve seat without having to forego the advantages described above. she is achieved according to the invention by the features of claim 1.
  • the contact area between the valve body and the valve seat is limited by a step to the outside, which is followed by a guide surface.
  • the step simultaneously limits the effective hydraulic diameter of the valve body, which thus remains the same throughout the entire service life.
  • the guide surface adjoining the step can be designed in such a way that the liquid is optimally drained off to a return flow channel, so that cavitation and associated noises are avoided.
  • the step and the guide surface are expediently formed directly on the valve body, e.g. by the area of the guide surface being offset from the contact surface on the valve body by non-cutting or cutting deformation.
  • the step and the guide surface can also be provided on the valve housing. A combination of both measures is also conceivable. These configurations are suitable both for proportional valves, in which the opening stroke changes proportionally to a control variable, and for switching valves, in which the valve body only occupies a defined closing or opening position.
  • the step is expedient for the step to be formed by the edge of the valve body and for a separate guide body to be connected to the edge of the valve body.
  • the guide body can be connected both to the valve housing, for example advantageously via guide vanes, or to the stop which limits the opening stroke of the valve body.
  • the guide surface adjoins the contact surface of the valve body in the open position of the valve body, so that a favorable flow can form.
  • the space between the guide body, the stop and the valve body, into which the valve body is immersed during the opening stroke is expediently connected to the return flow channel by radially directed drainage channels, so that no hydraulic reaction occurs during the opening of the valve body.
  • the sub-claims contain some variants for the execution of the drainage channels. By dimensioning the drainage channels, a targeted damping of the valve can be achieved.
  • FIG. 1 shows a schematic partial section through a valve according to the invention
  • An electrically controllable valve 1 can be controlled via a device 3, which can be an electromagnet or a piezoelectric element.
  • the device 3 acts in the activated state against the force of a valve spring 4 on a valve stem 8 which is axially guided with a guide part 9 in a valve housing 2.
  • the valve spring 4 is housed in a spring chamber 5 and is supported with a End via a disk 7 on the device attached to the valve housing 2 and with its other end via a spring plate 6 on the valve stem 8.
  • valve body 10 in the form of a valve plate, which cooperates with a valve seat 13 on the valve housing 2.
  • a liquid in the case of a fuel injection pump fuel, is fed to valve 1 under high pressure via a pressure channel 12, which opens into an annular space 11 between the guide part 9 and the valve body 10, and is discharged into a return flow channel 27 in the open position shown.
  • the valve spring 4 presses the valve body 10 against a stop 25.
  • the valve body 10 covers the annular space 11 only slightly in the radial direction, so that there is a narrow contact surface 14 at the edge of the valve body 10, which is delimited to the outside by a step 15.
  • the stage 15 is formed according to FIGS. 2-5 and 7 from the edge 17 of the valve body 10, while in the embodiment according to FIG. 6 the stage 15 is formed by a shoulder in the valve body 10.
  • a step 16 adjoins the step 15, through which the flow of the fuel to the return flow channel 27 is optimized.
  • the guide surface 16 can be integrally formed on the valve body 10 (FIG. 6) or be part of a guide body 18. This can be firmly connected to the stop 25 or molded in one piece. Furthermore, it is possible to connect it to the valve housing 2 (FIG. 7), which is expediently carried out via guide vanes 26 which support the effect of the guide surface 16.
  • a space 28 is formed, which is connected via drainage channels 21-24 to the return flow channel 27 to avoid a jam to avoid the fuel in this space 28 when opening the valve 1.
  • the drainage channels 21-24 can be designed differently. 2 shows a guide body 18 which is fixedly connected to the stop 25 and which has drainage channels 19 in the guide body 18 between the latter and the stop 25. Furthermore, the valve body 10 has drainage channels 20 on the end face, which can be formed by grooves or milling.
  • the stop 25 has continuous drainage channels 21 which lead from the area of the valve body 10 through the area of the guide body 18 to the return flow channel 27.
  • the guide body 18 which is connected to the stop 25, by slots 24 or bores 22.
  • the bore 22 extends into the area of the end face of the valve body 10. Since the guide body 18 is connected to the valve housing 2 in the embodiment according to FIG. 7, the drainage channel 23 can be formed by an annular space between the guide body 18 and the stop 25 become.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch ansteuerbares Ventil (1) mit einer Einrichtung (3), die im angesteuerten Zustand entgegen der Kraft einer Ventilfeder einen Ventilschaft mit einem Ventilkörper (10) axial bewegt, der mit einem Ventilsitz (13) an einem Ventilgehäuse (2) zusammenarbeitet und den Durchfluss durch das Ventil bestimmt, wobei der Ventilschaft im Ventilgehäuse geführt ist und zwischen seinem Führungsteil (9) und dem Ventilkörper (10) mit dem Ventilgehäuse einen Ringraum (11) bildet, in den ein Druckkanal (12) mündet. Es wird vorgeschlagen, dass die Kontaktfläche zwischen dem Ventilkörper (10) und dem Ventilsitz (13) durch eine Stufe nach aussen begrenzt ist, an die sich eine Leitfläche (16) anschliesst.

Description

Elektrisch ansteuerbares Ventil
Die Erfindung betrifft ein elektrisch ansteuerbares Ventil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Elektrisch ansteuerbare Ventile, die durch Elektromagnete, piezoelektrische Elemente und dergleichen betätigt werden, werden unter anderem bei Kraftstoffeinspritzvorrichtungen für Brennkraftmaschinen verwendet. Hierbei führt eine Speisepumpe den Kraftstoff mit einem niedrigen Druck der Saugseite einer Hochdruckpumpe, in der Regel einer mechanisch angetriebenen Kolbenpumpe zu, die den Kraftstoff über ein Einspritzventil unter hohem Druck in die Brennkraftmaschine einspritzt. Die Menge des pro Arbeitszyklus eingespritzten Kraftstoffs wird dadurch begrenzt, daß ein elektrisch ansteuerbares Ventil die Verbindung zwischen der Druckleitung der Einspritzpumpe und einem Rückflußkanal herstellt und damit die wirksame Förderung des Einspritzhubs beendet.
Ein gattungsmäßiges Ventil einer Einspritzvorrichtung ist aus der DE 34 06 198 C2 bekannt. Das elektromagnetisch betätigbare Ventil weist einen Ventilsitz, einen Ventilschaft mit einem Führungsteil, einen Ventilkörper in Form eines Ventiltellers, eine elektromagnetische Einrichtung und eine Ventilfeder auf. Der Ventilschaft ist mit einem Führungsteil axial beweglich in einem Ventilgehäuse geführt, wobei ein Elektromagnet im erregten Zustand den Ventilkörper über ein elastisches Element entgegen der Kraft der Ventilfeder gegen einen Ventilsitz zieht und die Ventilfeder bei stromlosem Zustand des Elektromagneten den Ventilkörper um einen begrenzten Weg öffnet. Der Kraftstoff wird dem Ventil über einen Druckkanal zugeführt, der in einen Ringraum zwischen dem Ventilsitz und dem Führungsteil mündet. Damit auf das Ventil durch den Kraftstoffdruck keine oder nur geringe hydraulische Kräfte wirken, weist der Führungsteil zum Ringraum hin einen Absatz auf, dessen Ringfläche dem hydraulisch wirksamen Durchmesser des Ventilkörpers im wesentlichen entspricht, so daß sich die auf den Ventilkörper wirkenden Druckkräfte am Ventilschaft ausgleichen.
Durch Verschleiß aufgrund von Feststoffpartikeln im Kraftstoff und Kavitation sowie durch Setzerscheinungen am Ventilsitz verändert sich der wirksame hydraulische Durchmesser im Laufe der Zeit und das zu Anfang gegebene hydraulische Gleichgewicht liegt nicht mehr vor. Dadurch kann die Ventilfunktion erheblich gestört werden, so daß eine exakte Ab- steuerung des Kraftstoffs nicht mehr gewährleistet ist.
Es wurde bereits vorgeschlagen, DE 19 716 041 AI, durch geometrische Maßnahmen dafür zu sorgen, daß der wirksame hydraulische Durchmesser durch Verschleiß und Setzerscheinungen gegenüber dem Auslegezustand nicht größer wird bzw. begrenzt wird. Dies wird z.B. dadurch erreicht, daß der Ventilkörper und der Ventilsitz nur eine geringe Überdeckung aufweisen. Dadurch bleibt die kleine Kontaktfläche selbst bei Verschleiß relativ konstant. Es hat sich aber gezeigt, daß durch die Maßnahmen die StrömungsVerhältnisse am Ventilsitz ungünstig beeinflußt werden, so daß verstärkt mit Kavitation zu rechnen ist, bzw. die Dynamik während des Öffnens des Ventils verschlechtert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strömungsverhältnisse im Bereich des Ventilsitzes zu verbessern, ohne auf die oben geschilderten Vorteile verzichten zu müssen. Sie wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Nach der Erfindung wird die Kontaktfläche zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz durch eine Stufe nach außen begrenzt, an die sich eine Leitfläche anschließt. Durch die Stufe wird gleichzeitig der wirksame hydraulische Durchmesser des Ventilkörpers begrenzt, der somit während der gesamten Lebensdauer gleichbleibt. Die sich an die Stufe anschließende Leitfläche kann so gestaltet werden, daß die Flüssigkeit optimal zu einem Rückflußkanal abgeleitet wird, so daß Kavitation und damit verbundene Geräusche vermieden werden.
Zweckmäßigerweise sind die Stufe und die Leitfläche unmittelbar am Ventilkörper angeformt, z.B. indem der Bereich der Leitfläche gegenüber der Kontaktfläche am Ventilkörper durch spanlose oder spangebende Verformung abgesetzt ist. Allerdings kann die Stufe und die Leitfläche auch am Ventilgehäuse vorgesehen werden. Ferner ist eine Kombination beider Maßnahmen denkbar. Diese Ausgestaltungen eignen sich sowohl für Proportionalventile, bei denen der Öffnungshub sich proportional einer Steuergröße ändert, als auch für Schaltventile, bei denen der Ventilkörper nur eine definierte Schließ- oder Öffnungsstellung einnimmt.
Bei Schaltventilen, bei denen der Öffnungshub des Ventilkörpers durch einen Anschlag begrenzt ist, ist es zweckmäßig, daß die Stufe vom Rand des Ventilkörpers gebildet wird und ein separater Leitkcrper sich an den Rand des Ventilkörpers anschließt. Der Leitkörper kann sowohl mit dem Ventilgehäuse, z.B. in vorteilhafter Weise über Leitschaufeln oder mit dem Anschlag verbunden sein, der den Öffnungshub des Ventilkörpers begrenzt. Dabei schließt sich die Führungsfläche in der Öffungsstellung des Ventilkörpers an die Kontaktfläche des Ventilkörpers an, so daß sich eine günstige Strömung ausbilden kann. Der Raum zwischen dem Leitkörper, dem Anschlag und dem Ventilkörper, in den der Ventilkörper während des Öffnungshubs eintaucht, ist zweckmäßigerweise durch radial gerichtete Drainagekanäle mit dem Rückflußkanal verbunden, damit während des Öffnens des Ventilkörpers keine hydraulische Rückwirkung entsteht. Die Unteransprüche enthalten einige Varianten zur Ausführung der Drainagekanäle. Durch die Dimensionierung der Drainagekanäle kann eine gezielte Dämpfung des Ventils erreicht werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil,
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt entsprechend der Linie II in Fig. 1,
Fig. 3-7 Varianten zur Fig. 2.
Ein elektrisch ansteuerbares Ventil 1 ist über eine Einrichtung 3, die ein Elektromagnet oder ein piezoelektrisches Element sein kann, ansteuerbar. Die Einrichtung 3 wirkt im angesteuerten Zustand entgegen der Kraft einer Ventilfeder 4 auf einen Ventilschaft 8, der mit einem Führungsteil 9 in einem Ventilgehäuse 2 axial geführt ist. Die Ventilfeder 4 ist in einer Federkammer 5 untergebracht und stützt sich mit einem Ende über eine Scheibe 7 an der am Ventilgehäuse 2 befestigten Einrichtung und mit ihrem anderen Ende über einen Federteller 6 am Ventilschaft 8 ab.
Am freien Ende des Ventilschafts 8 befindet sich ein Ventilkörper 10 in Form eines Ventiltellers, der mit einem Ventilsitz 13 am Ventilgehäuse 2 zusammenarbeitet. Eine Flüssigkeit, im Falle einer Kraftstoffeinspritzpumpe Kraftstoff, wird unter hohem Druck über einen Druckkanal 12, der in einen Ringraum 11 zwischen dem Führungsteil 9 und dem Ventilkörper 10 mündet, dem Ventil 1 zugeführt und in der gezeigten offenen Stellung in einen Rückflußkanal 27 abgeleitet. Die Ventilfeder 4 drückt in dieser Stellung den Ventilkörper 10 gegen einen Anschlag 25.
Wie aus Fig. 2 besser hervorgeht, überdeckt der Ventilkörper 10 den Ringraum 11 in radialer Richtung nur geringfügig, so daß sich am Rand des Ventilkörpers 10 eine schmale Kontaktfläche 14 ergibt, die durch eine Stufe 15 nach außen begrenzt ist. Die Stufe 15 wird nach Fig. 2-5 und 7 von dem Rand 17 des Ventilkörpers 10 gebildet, während bei der Ausgestaltung nach Fig. 6 die Stufe 15 durch einen Absatz im Ventilkörper 10 gebildet ist. An die Stufe 15 schließt sich eine Leitfläche 16 an, durch die die Strömung des Kraftstoffs zum Rückflußkanal 27 optimiert ist. Die Leitfläche 16 kann am Ventilkörper 10 unmittelbar angeformt sein (Fig. 6) oder Bestandteil eines Leitkörpers 18 sein. Dieser kann mit dem Anschlag 25 fest verbunden oder einstückig angeformt sein. Ferner ist es möglich, ihn mit dem Ventilgehäuse 2 zu verbinden (Fig. 7), was zweckmäßigerweise über Leitschaufeln 26 erfolgt, die die Wirkung der Leitfläche 16 unterstützen.
Zwischen dem Ventilkörper 10, dem Anschlag 25 und dem Leitkörper 18 wird ein Raum 28 gebildet, der über Drainagekanäle 21-24 mit dem Rückflußkanal 27 verbunden ist, um einen Stau des Kraftstoffs in diesem Raum 28 beim Öffnen des Ventils 1 zu vermeiden. Die Drainagekanäle 21-24 können unterschiedlich gestaltet sein. So zeigt Fig. 2 einen mit dem Anschlag 25 fest verbundenen Leitkörper 18, der Drainagekanäle 19 in dem Leitkörper 18 zwischen diesem und dem Anschlag 25 aufweist. Ferner hat der Ventilkörper 10 stirnseitig Drainagekanäle 20, die durch Nuten oder Einfräsungen geformt sein können.
Bei der Ausgestaltung nach Fig. 3 weist der Anschlag 25 durchgehende Drainagekanäle 21 auf, die von dem Bereich des Ventilkörpers 10 durch den Bereich des Leitkörpers 18 bis zum Rückflußkanal 27 führen.
Die Drainagekanäle nach Fig. 4 und 5 werden in dem Leitkörper 18, der mit dem Anschlag 25 verbunden ist, durch Schlitze 24 bzw. Bohrungen 22 gebildet. Die Bohrung 22 reicht dabei bis in den Bereich der Stirnfläche des Ventilkörpers 10. Da in der Ausführung nach Fig. 7 der Leitkörper 18 mit dem Ventilgehäuse 2 verbunden ist, kann hierbei der Drainagekanal 23 durch einen Ringraum zwischen dem Leitkörper 18 und dem Anschlag 25 gebildet werden.
Da die Ausführung nach Fig. 6 keine separaten Leitkörper aufweist, sind hierbei keine Drainagekanäle erforderlich. Der Kraftstoff kann zwischen der Stirnfläche des Ventilkörpers 10 und dem Anschlag 25 in die Rückflußleitung 27 entweichen. Er behindert dabei nicht die Strömung im Bereich des Ventilsitzes .

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisch ansteuerbares Ventil mit einer Einrichtung, die im angesteuerten Zustand entgegen der Kraft einer Ventilfeder einen Ventilschaft mit einem Ventilkörper axial bewegt, der mit einem Ventilsitz an einem Ventilgehäuse zusammenarbeitet und den Durchfluß durch das Ventil bestimmt, wobei der Ventilschaft im Ventilgehäuse geführt ist und zwischen seinem Führungsteil und dem Ventilkörper mit dem Ventilgehäuse einen Ringraum bildet, in den ein Druckkanal mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (14) zwischen dem Ventilkörper (10) und dem Ventilsitz (13) durch eine Stufe (15) nach außen begrenzt ist, an die sich eine Leitfläche (16) anschließt .
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (15) und die Leitfläche (16) am Ventilkörper (10) und/oder am Ventilgehäuse (2) angeordnet sind.
3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe vom Rand des Ventilkörpers (10) gebildet wird, den ein separater Leitkörper umgibt, der mit dem Ventilgehäuse (12) oder einem Anschlag (25) verbunden ist, der den Öffnungshub des Ventilkörpers (10) begrenzt.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkörper (18) radial gerichtete Drainagekanäle (19, 21, 22, 23, 24) aufweist, die einen an den Ventilkörper (10) angrenzenden Raum (28) mit einem Rückflußkanal (27) verbinden.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Drainagekanäle (20, 21) zwischen dem Anschlag (25) und dem Ventilkörper (10) vorgesehen sind.
6. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkörper (18) über Leitschaufeln (26) , die in Strömungsrichtung dem Leitkörper (18) nachgeschaltet sind, am Ventilgehäuse (2) befestigt ist.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkörper (18) am Anschlag (25) angeformt ist und Bohrungen (22) die Drainagekanäle bilden.
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DE19745124C1 (de) 1998-10-15
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