Beschreibung
Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur dessen Herstellung.
Ein solches Kraftstoffeinspritzventil ist aus dem Dokument EP 0 816 670 AI bekannt. Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil enthält ein Servoventil, das dazu dient, hydraulisch das Öffnen und Schließen des Kraftstoffeinspritzventils zu bewirken, insbesondere den Beginn und das Ende des Einspritzvorganges zeitlich exakt festzulegen. In der Ventilkammer des Servoven- tils ist ein kugelförmiger Schließkörper eingebracht, der über ein Stößel mit einem Aktor in Wirkverbindung steht. Der Schließkörper bildet zusammen mit einem konischen, ersten Ventilsitz der Ventilkammer eine hochdruckfeste Abdichtung. Bei Auslenkung des Aktors wird der Schließkörper vom ersten Ventilsitz abgehoben, wodurch das Servoventil öffnet (2/2- Wegeventil) . In einer weiteren Ausbildungsform ist in der Ventilkammer ein weiterer, dem ersten Ventilsitz in axialer Richtung gegenüberliegender konischer Dichtsitz angeordnet, wobei der Schließkörper im ausgelenkten Zustand des Aktors den weiteren Ventilsitz abdeckt und somit eine hydraulische Sperre entsteht (3/2-Wegeventil) .
Aufgabe der Erfindung ist es, die Bauform des Servoventils zu verbessern.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gelöst, wie sie in den unabhängigen Patenansprüchen beschrieben sind.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, die Lebensdauer des Servoventils zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil liegt in der kleinen Bauform des Servoventils und im einfachen Herstellungsverfahren des Schließkörpers.
Vorteilhaft ist die besondere Ausformung des Schließkörpers als rotationssymmetrischer Körper, der an einer Stirnseite (Kopf) einen teilkreisförmigem Abschluß aufweist und in Längsrichtung zur gegenüberliegenden Stirnseite gerichtet in einen schlanken Stiel mit geringerem Durchmesser übergeht. Die Querschnittsform des Schließkörpers ist näherungsweise pilzförmig ausgebildet.
Der Kopf des Schließkörpers weist vorzugsweise eine mittige Abflachung auf, auf der ein Stößel aufliegt, der mit einem Aktor verbunden ist. Dadurch wird eine vergrößerte Wirkfläche zwischen Stößel und Schließkörper erreicht, was vorteilhaft zu einer geringeren Abnutzung und einer geringeren Gefahr des Verkantens des Schließkörpers führt.
Der Stiel des Schließkörpers wird von einer Ventilfeder um- faßt, die den Schließkörper in Richtung auf den ersten Ventilsitz vorspannt. Vorteilhaft wird dadurch eine kompakten Baugröße des Servoventils und eine Stabilisierung des Schließkörpers erreicht.
Der Stiel des Schließkörpers wird teilkugelförmig abgeschlossen, wobei die Teilkugelform zusammen mit einem Dichtsitz vorteilhaft als Dichtfläche dient.
Der Schließkörper wird vorzugsweise aus einer Vollkugel hergestellt. Dadurch ergeben sich geringe Fertigungstoleranzen und ein einfaches Fertigungsverfahren.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert; es zeigen:
Figur 1: einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritz- serventil mit einem Servoventil in einer ersten Ausführungsform;
Figur 2: einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem Servoventil in einer zweiten Ausführungsform; Figur 3: einen Querschnitt des Schließkörpers mit einer Ven- tilfeder
Figur 1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem 2/2- Wegeventil (Servoventil) . Das Kraftstoffeinspritzventil mit rotationssymmetrischer Grundkörperform ist axial in Längs- richtung in verschiedene Körper unterteilt.
Ein steuerbarer Aktor 100, vorzugsweise ein piezoelektrischer Aktor, steht mit einem Schließkörper 370 über einen Stößel 200 in Wirkverbindung. Der Stößel 200 wird in einer zentralen Führungsbohrung 310 eines Servokörpers 300 geführt. Der Ser- vokörper 300 weist zusätzlich einen Kraftstoff anal 320, einen Rücklauf anal 330 und eine zentrale Ventilkammer 345 auf. Der Rücklaufkanal 330 ragt seitlich in die Führungsbohrung 310 und ist mit einem Kraftstofftank verbunden. Die Führungs- bohrung 310 geht über einen sich konisch öffnenden ersten Ventilsitz 350 in die Ventilkammer 345 über. In der Ventil- kammer 345 ist der Schließkörper 370 eingebracht, der zusammen mit dem ersten Ventilsitz 350 im geschlossenen Zustand eine hochdruckfeste Dichtung bildet. Der Schließkörpers 370 ist pilzförmig ausgeformt, wobei der Stiel des Schließkörpers
370 von einer Ventilfeder 390 umfaßt ist, die in der Ventilkammer 345 angeordnet ist und die auf den Schließkörper 370 eine zum ersten Ventilsitz 350 gerichtete Federkraft ausübt.
Die Form des Schließkörpers 370 wird in der Beschreibung der Figur 3 näher erläutert.
Die Ventilkammer 345, der Schließkörper 370, die Ventilfeder 390 und der erste Ventilsitz 350 bilden ein Servoventil 340, das über den Stößel 200 von dem Aktor 100 angesteuert wird. Durch Auslenkung des Aktors 100 aus dem Ruhezustand öffnet das Servoventil 340, wodurch eine hydraulische Verbindung (Abfluß) zwischen der Ventilkammer 345 und dem Kraftstofftank über die Führungsbohrung 310 und den Rücklaufkanal 330 herge- stellt wird. Auf der der Führungsbohrung 310 gegenüberliegenden Seite wird die Ventilkammer 345 von einem Zwischenkörper 400 begrenzt, der in axialer Richtung an den Servokörper 300 anschließt.
Der Zwischenkörper 400 weist einen Kraftstoffkanal 430, einen Verbindungskanal 420 und einen Zulaufkanal 410 auf, der den Kraftstoffkanal 430 mit der Ventilkammer 345 verbindet und der eine Zulaufdrossel 415 aufweist, die den Kraftstoffzufluß in die Ventilkammer 345 beschränkt.
Der an den Zwischenkörper 400 axial anschließende Düsenkörper 500 weist eine zentrale Düsenführung 510 auf, in der in axialer Richtung eine Düsennadel 600 geführt ist. Die Düsennadel 600 und der Düsenkörper 500 bilden mit ihrer Ventilsptitze 640 bzw. mit seinem konisch zulaufenden, zweiten Ventilsitz 540 ein Ventil 640, 540, das die Kraftstoffeinspritzung über einen oder mehrere an der Spitze des Düsenkörpers 500 angeordneten Spritzlöcher 550 in einen Brennraum steuert. In der Düsennadel 600 sind Ringabsätze eingearbeitet, die durch den
Kraftstoffdruck eine axiale, von dem zweiten Ventilsitz 540 weg gerichtete Kraft auf die Düsennadel 600 bewirkt.
Die Rückseite der Düsennadel 600 ragt in eine Steuerkammer 440, die über den Verbindungskanal 420 mit der Ventilkammer 345 verbunden ist. Der Druck in der Steuerkammer 440 übt eine axiale, in Richtung des zweiten Ventilsitzes 540 gerichtete Kraft auf die Düsennadel 600 aus.
Eine axial in Richtung Zwischenkörper 400 gerichtete Bewegung der Düsennadel 600 öffnet das Ventil 640, 540, eine entgegengesetzte Bewegung schließt das Ventil 640, 540.
Durch Öffner, des Servoventils 340 fließt Kraftstoff von der Ventilkammer 345 über die Führungsbohrung 310 und dem Rücklaufkanal 330 in den Kraftstofftank. Durch die Zulaufdrossel 415 im Zulaufkanal 410 kann nicht genug Kraftstoff nachfließen, um den Kraftstoffdruck in der Ventilkammer 345 und der mit ihr über einen Verbindungskanal 420 verbundenen Steuer- kammer 440 zu halten. Der reduzierte Druck in der Steuerkammer 440 führt zu einer Auslenkung der Düsennadel 600 vom zweiten Ventilsitz 540 weg und somit zum Beginn des Einspritzvorgangs. Zieht der Aktor 100 sich in seine Ruhelage zurück, so kehrt der Schließkörper 370 wegen der Druckdiffe- renz zwischen der Ventilkammer 345 und dem Rücklaufkanal 330 und wegen der Rückstellkraft der Ventilfeder 390 auf den ersten Ventilsitz 350 zurück und unterbricht die hydraulische Verbindung zischen der Ventilkammer 345 und dem Rücklaufkanal 330 (Schließposition) . Über die Zulaufdrossel 415 fließt Kraftstoff aus den Kraftstoffkanal 430 in die Ventilkammer 345 und die Steuerkammer 440 nach, wodurch der Hochdruck in der Steuerkammer 440 wieder aufgebaut wird. Dadurch wird die Düsennadel 600 auf den zweiten Ventilsitz 540 gepreßt, so daß der Einspritzvorgang durch die Spritzlöcher 550 beendet wird.
In Figur 2 ist ein Kraftstoffeinspritzventil aus Figur 1 mit einem 3/2-Wegeventil (Servoventil) aufgeführt. Im Unterschied zum Kraftstoffeinspritzventil aus Figur 1 ist im Zulaufkanal 410 keine Zulaufdrossel 415 vorhanden. Weiterhin weist im Un- terschied zur Figur 1 die Ventilkammer 345 an dem dem ersten Ventilsitz 350 gegenüberliegenden Ende einen konisch zulaufenden Dichtsitz 360 auf, der in Verbindung mit dem unterem Körperteil des Schließgliedes 370, dem Schließfuß 386 (s. Fig. 3) eine hochdruckfeste Abdichtung bildet. Diese Abdich- tung schließt bei ausgelenktem Aktor 100, d.h. bei geöffnetem Abfluß, den Zulaufkanal 410 von der Ventilkammer 345 hydraulisch ab.
Dieses 3/2-Wegeventil besitzt folgende Funktionsweise: Im nicht ausgelenkten Zustand des Aktors 100 ist die Steuerkammer 440 hydraulisch mit dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff im Kraftstoffkanal 430 verbunden. Die hydraulische Verbindung zwischen der Ventilkammer 345 und dem Rücklaufkanal 330 ist unterbrochen. Im ausgelenkten Zustand des Aktors 100 ist die Verbindung zwischen dem Zulaufkanal 410 und der Ventilkammer 345 unterbrochen, die Steuerkammer 440 ist über die Ventilkammer 345 mit dem Rücklaufkanal 330 hydraulisch verbunden. Durch die Auslenkung des Aktors 100 wird somit in der Steuerkammer 440 ein schneller Druckabfall erreicht, wodurch ein schnelles Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils erreicht wird. Geht der Aktor 100 vom ausgelenkten Zustand in seinen Ruhezustand zurück, baut die Steuerkammer 440 ihren Druck über die Ventilkammer 345 und dem Zulaufkanal 410 schnell und durch keine Zulaufdrossel 415 gehemmt wieder auf, wodurch ein schnelles Beenden des Kraftstoffeinspritzvorgangs erreicht wird. Zudem wird die Kraftstoffmenge reduziert, die bei geöffnetem Servoventil 340 über den Rücklaufkanal 330 abfließt.
Die Figur 3 zeigt einen Querschnitt des Schließkörpers 370 mit der Ventilfeder 390 in einer bevorzugten Ausbildungsform.
Der Schließkörper 370 ist entlang seiner Längsachse 371 rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Schließkörper 370 ist vom Stößel 200 in Figur 1 aus gesehen axial unterteilt in einen Schließkopf 375, in eine Einbuchtung 380, in einen Schließstiel 384 und einen Schließfuß 386.
Der Schließkopf 375 ist auf der Seite des ersten Ventilsitzes 350 teilkugelförmig mit einem ersten Radius Rl ausgebildet und weist eine mittige, vorzugsweise kreisförmige, Kopfab- flachung 376 auf, wodurch der Stößel 200 eine im Vergleich zur reinen Teilkugelform vergrößerte Auflagefläche aufweist. Die Stirnfläche mit der der Stößel 200 auf der Kopfabflachung 376 aufliegt, ist ebenfalls plan ausgebildet, so daß der Stö- ßel 200 mit einer großen Fläche auf der Kopfabflachung 376 aufliegt. Vorteilhaft wird durch die vergrößerte Auflagefläche eine geringere Materialbelastung des Schließkörpers 370 und des Stößels 200 und somit ein geringerer Abrieb des Materials erreicht, was eine erhöhte Lebensdauer ermöglicht. Wei- terhin wird durch die Kopfabflachung 376 eine verbesserte
Führung des Schließkörpers 370 durch den Stößel 200 erreicht, da die Stirnfläche des Stößels 200 parallel zur Kopfab- flachung 376 angeordnet ist.
Der Schließkopf 375 weist an seiner der Kopfabflachung 376 axial gegenüberliegenden Unterseite einen Absatz auf, der zu einer Verringerung des Durchmessers führt und der den Anfang der Einbuchtung 380 darstellt. In axialer Richtung weiterführend geht der Absatz über eine Rundung in einen zylinderför- migen Stiel über, der sich über eine weitere Rundung konisch erweitert und über eine erste Ringkante in den zylinderförmi- gen Schließstiel 384 mit erweitertem Durchmesser übergeht. Der Schließstiel 384 endet an einer weiteren Ringkante und geht in den Schließfuß 386 über, der den Schließstiel 384 vorzugsweise teilkugelförmig mit einem zweiten Radius R2 ab-
schließt. Die Einbuchtung 380 ist im wesentlichen durch eine ringförmige Ausnehmung gebildet.
Der erste Radius Rl ist vorzugsweise gleich dem zweiten Radi- us R2, da der Schließkörper 370 aus einer Vollkugel hergestellt wird, die durch die eingezeichnete gestrichelte Linie in Figur 3 angedeutet ist. Die Vollkugel besteht vorzugsweise aus Metall und wird durch Fräsen, Drehen o. ä. so bearbeitet, daß der Schließkörper 370 daraus hervorgeht, was vorteilhaft ein einfaches Herstellverfahren des Schließkörpers 370 darstellt. Die teilkugelförmigen Oberflächen des Schließkörpers 370 sind so ausgeführt, daß sie zusammen mit dem ersten Ventilsitz 350 bzw. dem Dichtsitz 360 jeweils eine hochdruckfeste Abdichtung ermöglichen, wobei die Teilkugelform vorteil- haft auch bei leichter Verkantung des Schließkörpers 370 eine Abdichtung ermöglicht. Die Oberflächen der Teilkugelflächen weisen eine geringe Rauhigkeit auf, um die Abdichtungen hochdruckfest zu machen. Vorteilhaft werden durch Ausformen des Schließkörpers 370 aus einer Vollkugel geringe Fertigungsto- leranzen, besonders im Bereich der Dichtflächen erreicht.
Die Einbuchtung 380 und der Schließstiel 384 werden von einer Ventilfeder 390 umfaßt. Die Ventilfeder 390 liegt an einem Ende auf dem Zwischenkörper 400 (dem Boden der Ventilkammer 345, s. Figur 1 oder Figur 2) und am anderen Ende auf der Unterseite des Schließkopfes 375 auf, wobei die Federkraft der Ventilfeder 390 den Schließkörper 370 gegen den ersten Ventilsitz 350 und den Stößel 300 drückt. Die Einbuchtung 380 dient dazu, daß eine Stirnseite der Ventilfeder 390 annähernd senkrecht auf der Unterseite des Schließkopfes 375 anliegt und so vorteilhaft im wesentlichen axiale Kräfte auf die Feder ausgeübt werden. Weiterhin rastet die Ventilfeder 390 in die Einbuchtung 380 ein und ist somit vorteilhaft mechanisch fest mit dem Schließglied 370 verbunden.
Durch die Anordnung der Ventilfeder 390 und des Schließkörpers 370 zueinander wird vorteilhaft eine kompakte Bauform des Servoventils 340 ermöglicht.
Die Ventilfeder 390 liegt vorzugsweise eng an dem Schließstiel 384 an, so daß die Ventilfeder 390 und der Schließkörper 370 seitlich stabilisiert sind.
Eine vorteilhafte, stabilisierte Führung des Schließkörpers 370 verbessert das dynamische Verhalten des Servoventils 340 und beschleunigt dessen Öffnen und Schließen, was durch folgende Merkmale erreicht wird:
- Der Stößel 200 liegt mit seiner Stirnfläche auf der Kopfab- flachung 376 auf und bewirkt eine stabilisierende Kraft auf den Schließkörper 370, die wodurch ein Verkanten des Schließkörpers 370 erschwert wird.
- Die Ventilfeder 390 liegt mit einer Stirnseite an der Unterseite des Schließkopfes 375 und mit der gegenüberliegenden Stirnseite auf dem Boden der Ventilkammer 345 ringför- mig an. Durch die axial gerichtete, ringförmig gleichmäßig auf den Boden der Ventilkammer 345 und die Unterseite des Schließkopfes 375 wirkende Federkraft der Ventilfeder 390 wird der Schließkörper 370 stabilisiert.
- Die Ventilfeder 390 umfaßt den Schließstiel 384 eng und hindert somit den Schließkörper 370 am Verkanten.
Die Ventilfeder 390 ist vorzugsweise als Spiralfeder oder als Hohlfeder ausgeführt.