WO2001011227A1 - Steuerventilanordnung zum einsatz in einem kraftstoffinjektor für verbrennungsmotoren - Google Patents

Steuerventilanordnung zum einsatz in einem kraftstoffinjektor für verbrennungsmotoren Download PDF

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WO2001011227A1
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Ulrich Augustin
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F02M59/468—Electrically operated valves, e.g. using electromagnetic or piezoelectric operating means using piezoelectric operating means

Definitions

  • Control valve arrangement for use in a fuel injector for internal combustion engines.
  • the invention relates to a control valve arrangement for use in a fuel injector for internal combustion engines according to the preamble of claim 1. Arrangements of this type are e.g. known from US-PS 5 460 329 and US-PS 5 407 131.
  • control valve for a fuel miector, which works with a cam-operated pressure booster piston, is described in US Pat. No. 5,407,131.
  • the control valve here is a seat valve that is normally open, i.e. in the idle state, and that can be closed with the help of an electromagnet.
  • the fuel required from the tank by a low-pressure fuel pump flows back through the control valve to the tank.
  • the fuel injection in the combustion chamber of a diesel engine is initiated by excitation of the electromagnet, the magnetic force of which brings the seat valve into the closed working state.
  • the fuel in the injector which can no longer drain, is then pressurized by the cam-actuated piston of the pressure booster. When the pressure has reached the specified nozzle needle opening pressure, begins the injection.
  • the object of the present invention is to design a control valve arrangement of the type mentioned at the outset in such a way that the losses which occur during use are reduced.
  • valve body which is axially displaceable in the valve chamber by means of an actuating device has two rigidly connected sections.
  • a first section of the valve body forms a seat valve between the valve inlet and valve outlet, which is closed in a rest position of the valve body and opened in a working position of the valve body.
  • a second section of the valve body and a second section of the valve chamber form a slide valve which, in the rest position of the valve body, establishes a fluid connection between the valve outlet and a return opening and blocks the fluid connection between the seat valve and the valve outlet and which only leaves the return opening after leaving the rest position closes and then begins to establish a fluid connection between the seat valve and the valve outlet.
  • the control valve arrangement according to the invention thus forms two individual valves connected in series, one of which is designed as a seat valve and the other as a slide valve. Since the outlet of the valve arrangement in the rest position of the valve body is cut off from the inlet pressure by the closed seat valve and additionally by the slide valve and is connected to the return opening, the outlet is kept pressureless in this phase without control fluid being lost as a result of the arrangement flows. In addition, the leakage losses remain low in this phase, due to the cumulative (sequential) sealing effects of the poppet valve and slide valve.
  • the outlet of the control valve arrangement according to the invention is particularly well suited for hydraulic control of the injection process, in which the injection phase is initiated by the transition of the valve body m the working position and the injection pause is determined by the rest position of the valve body.
  • the first section of the valve body is a control piston sliding tightly in the first section of the valve chamber, on the front side of which, which faces the seat valve, an annular active surface exposed to the valve inlet pressure is formed.
  • a control chamber behind a rear effective surface of the control piston is connected to the valve inlet via an inlet throttle and to a return connection via an outlet throttle which can be opened by the actuating device. in this connection the flow resistances of the throttles and the large ratio between the ring-shaped active surface and the rear active surface are dimensioned such that the valve body moves into the working position when the discharge throttle is opened and moves into the rest position when the discharge throttle is closed.
  • control piston is preferably designed so that when it reaches its working position it seals against the access from the control chamber to the discharge throttle. In the sense of the above task, this ensures that the flow losses remain limited to the short transition phase of the control piston from the rest position to the working position.
  • FIG. 1 is a sectional view of a fuel injector with a first embodiment of a control valve arrangement according to the invention;
  • Figures 2, 3 and 4 each show in section
  • Control valve arrangement according to FIG. 1 m three successive operating phases
  • FIG. 5 is a sectional view of the fuel injector with a second embodiment of a control valve arrangement according to the invention.
  • FIGS. 6, 7 and 8 each show in section the control valve arrangement according to FIG. 5 in three successive operating phases.
  • the fuel injector 1 shown in FIG. 1 is an injector with a hydraulic drive, which essentially consists of the usual components injector 2, high-pressure piston 3, pressure intensifying piston 4 and a control valve arrangement 5, which form a structural unit with an injector housing 6.
  • the injector is shown in its idle state.
  • the details of the control valve arrangement 5 contained in the injector according to FIG. 1 according to a first embodiment of the invention are clearer from the enlarged Sectional representation in Figures 2, 3 and 4.
  • the control valve arrangement 5 has a valve housing 21, in which a valve chamber is formed, which preferably has a circular cross-sectional shape and which, aligned in the axial direction, has two sections 41a and 41b of different diameters. In a region between the two sections 41a and 41b, the chamber diameter is additionally widened by an annular groove 51 into which a valve inlet 7 opens.
  • a valve outlet 23 opens.
  • valve body 17 which forms two rigidly connected sections 17a and 17b, the first section 17a of which extends into the first section 41a of the valve chamber and the second section 17b of which extends into the second section 41b of the valve chamber.
  • the first valve body section 17a has a larger diameter and forms a control piston sliding tightly in the first chamber section 41a.
  • the second valve body section 17b is a slide valve which, together with the wall of the second chamber section 41b of smaller diameter, forms a slide valve and is provided with an annular groove 24 for this purpose.
  • a first control edge 38 of the annular groove 24 can pass over an associated control edge 39 on a narrowed continuation 52 of the inlet annular groove 51 in order to selectively block or open a fluid connection from the inlet 7 to the outlet 23.
  • the other control edge 19 of the annular groove 24 can pass over the edge to the outer wall 20 of the valve housing 21 at the end opening 49 of the valve chamber section 41b, for selectively opening or closing a fluid connection between the outlet 23 and a fluid return flow, which the end opening mounts.
  • a preferably conical circumferential surface 50 of the valve body 17 at the transition between the control piston 17a and slide 17b represents the front of the control piston and forms in its central region a zone for bearing on a cone valve seat 18 which is located on the conical edge of the inlet annular groove 51 , WO 01 IX X 227 PCT / DE00 / 02642
  • control chamber 10 which is connected to the inlet annular groove 51 via a channel 9 in the control piston 17a and an inlet throttle 8.
  • An outlet throttle 11 leads from the control room 10 via a connecting channel 12 to a return port 13.
  • the outlet throttle 11 is closed in the idle state by a ball 14 which is pressed onto its seat 16 by a spring 15.
  • the spring 15 can be withdrawn via an armature plate 36 in order to remove the closing pressure.
  • the inlet 7 of the control valve arrangement 5 is connected to a pressure accumulator, not shown, a so-called “rail", in which a working medium or control fluid such as e.g. Motor oil or fuel is under high pressure.
  • a working medium or control fluid such as e.g. Motor oil or fuel is under high pressure.
  • the return port 13 and the end opening 49 on the outer wall 20 of the valve housing 21 communicate with the tank (not shown) from which the control fluid is pumped back into the rail.
  • the outlet 23 is connected to the space 22 on the primary side of the pressure boosting piston 4.
  • the solenoid valve 40 In the idle state, ie during the injection break, the solenoid valve 40 is without current. Because of the closed outlet throttle 11, the rail pressure builds up in the control chamber 10 via the inlet 7, the inlet throttle 8 and the channel 9, which presses the control piston 17a of the valve body 17 to the left onto the conical seat 18 and thus from this seat 18 and the conical surface 50 seat valve formed stop. In the position of the valve body 17 that is assumed in this way, which is shown in FIG. 2, the control edge 19 of the slide 17b is located outside the outer wall 20 of the valve housing 21 and thus provides a connection from the primary space 22 of the pressure boosting piston 4 via the valve outlet 23 and the Ring groove 22 free for the return. The room 22 is therefore depressurized.
  • the pressure-boosting piston 4 is used together with the high-pressure piston 3 pressed by a spring 25 against an upper stop 26.
  • the secondary space 27 on the high pressure piston 3 is connected via inlet channels 28 and 29 to a fuel supply system, not shown, and is therefore filled with fuel.
  • Channels 30, 31 and 32 lead from the space 27 into the annular space 33 of the injection nozzle 2. In the annular space 33 there is therefore supply pressure which is not sufficient to open the nozzle needle 34 against the force of the nozzle spring 35.
  • an injection process is initiated by energizing the magnet coil 40.
  • the spring 15, which had closed the outlet throttle 11 via the ball 14, is withdrawn via the anchor plate 36.
  • the pressure in the control chamber 10 drops to a level which is determined by the ratio of the flow resistances of the inlet and outlet throttle.
  • the full rail pressure acts on an annular surface which is formed by the conical surface 50 in the region radially outside of the valve seat 18.
  • this annular surface is dimensioned such that the force exerted by the rail pressure on the control piston 17a predominates and moves the latter to the right until a stop surface 42 on the piston rear side reaches the end wall 37 and at the same time the outlet throttle blocked. In this position, the control piston 17 oscillates, the stop surface 42 periodically opening and closing the discharge throttle. This state is the working state shown in FIG. 4.
  • FIG. 3 shows a first movement phase after energization of the solenoid valve 40, shortly after the valve body 17 has left the rest position shown in FIG. 2.
  • control piston 17a By moving to the right, the control piston 17a has released the valve seat 18.
  • the control edge 19 on the annular groove 24 of the slide 17b has just reached the corresponding control edge to the outer wall 20 of the housing and thus interrupted the connection between the outlet 23 and the outside world (return system).
  • the other control edge 38 on the annular groove 24 is still in register with the control edge 39 of the valve WO 01 IX X 227 PC TYDE00 / 02642
  • the high pressure reaches the annular space 33 of the injection nozzle 2 via the channels 30, 31 and 32, which in the usual way opens automatically and injects the fuel.
  • the end of the injection is initiated by interrupting the energization of the solenoid valve 40.
  • the outlet throttle 11 is closed again by the ball 14, the pressure in the control chamber 10 again reaches the level of the rail pressure, and the valve body 17 moves back into the rest position shown in FIG. 2.
  • the seat valve 18, 50 closes, and the connection between the outlet 23 and the return opening 49 on the outer wall 20 of the housing is opened again, so that the primary space 22 above the pressure intensifying piston 4 is depressurized.
  • the spring 25 moves the pressure-intensifying piston 4 and the high-pressure piston 3 m to the starting position, the space 22 emptying back via the valve outlet 23 and the annular groove 24 for the return and the secondary space 27 refills with fuel via channels 28 and 29.
  • the injector 2 closes automatically due to the force of the nozzle spring 35.
  • FIGS. 5 to 8 differs from the first embodiment according to FIGS 4 differs.
  • a blind bore 48 leads into the rear side of the control piston 17a, in which a second piston 43 is seated in a tightly sliding manner and extends axially from a channel 44
  • the rear side of the second piston 43 is supported on the end wall 37 of the valve chamber section 41a, in such a way that the channel 44 communicates with the inlet opening of the outlet throttle 11.
  • the inlet throttle 8 leads from the front part of the control piston 17a in the region of the outlet groove 51 into the space at the foot of the bore 48.
  • the annular space 47 surrounding the second piston 43 between the rear end of the control piston 17a and the end wall 37 of the valve chamber section 41a has a pressure compensation connection 45 to the outside.
  • control chamber 10 is formed by the space at the foot of the bore 48 between the bottom 46 of this bore and the facing end of the second piston 43.
  • the control chamber 10 In the rest position according to FIG. 6, in the control chamber 10, because of the closed outlet throttle 11, via the inlet 7, the inlet annular groove 51 and the inlet throttle 8 of the rail pressure, which the control piston 17a by actuating gung its back effective surface at the bottom 46 of the bore 48 prints to the left and the seat valve 18, 50 closed.
  • the fluid flows from the control chamber 10 through the channel 44 via the discharge throttle 11 to the return port 13, so that the pressure in the control chamber 10 decreases and the control piston 17a moves to the right, as shown in FIG.
  • valve body 17 which form the seat valve and the slide valve with the corresponding areas of the valve chamber, act exactly as it does in the rest position according to FIG. 6, in the intermediate position according to FIG. 7 and in the working position according to FIG. 8 was described above for the first embodiment with reference to Figures 2, 3 and 4.
  • control piston 43 can also be located in the correspondingly large bore of the stop surface 37 instead of the bore of the valve body 17a, the channels to the inlet throttle having to be guided through the valve housing.
  • direct actuation of the valve body can also be ensured, for example by physical connection with the armature of a solenoid coil or with another electromechanical transducer.
  • the use of the control valve arrangement according to the invention is also not restricted to the application of a pressure booster; the outlet 23 can also be connected directly to the inlet duct of an injector nozzle if the rail pressure is dimensioned sufficiently high. In this case, the fluid that the control valves Oil arrangement flows through, of course fuel such as diesel oil.

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Abstract

Eine erfindungsgemäße Steuerventilanordnung (5) zum Einsatz in einem Kraftstoffinjektor (1) für Verbrennungsmotoren enthält einen in einer Ventilkammer mittels einer Betätigungseinrichtung (40) axial verschiebbaren Ventilkörper (17), der aus zwei starr zusammenhängenden Abschnitten (17a, 17b) besteht. Ein erster Abschnitt (17a) des Ventilkörpers (17) bildet in einem ersten Abschnitt (41a) der Ventilkammer ein Sitzventil (18, 50) zwischen Ventileinlaß (7) und Ventilauslaß (23), das in einer Ruheposition des Ventilkörpers (17) geschlossen und in einer Arbeitsposition des Ventilkörpers (17) geöffnet ist. Ein zweiter Abschnitt (17b) des Ventilkörpers (17) und ein zweiter Abschnitt (41b) der Ventilkammer bilden ein Schieberventil, welches in der Ruheposition des Ventilkörpers (17) eine Fluidverbindung zwischen dem Ventilauslaß (23) und einer Rücklauföffnung (49) herstellt und die Fluidverbindung zwischen dem Sitzventil (18, 50) und dem Ventilauslaß (23) sperrt und welches nach dem Verlassen der Ruheposition erst die Rücklauföffnung (49) schließt und danach eine Fluidverbindung zwischen dem Sitzventil (17, 50) und dem Ventilauslaß (23) herzustellen beginnt.

Description

Beschreibung
Steuerventilanordnung zum Einsatz in einem KraftstoffInjektor für Verbrennungsmotoren.
Die Erfindung betrifft eine Steuerventilanordnung zum Einsatz in einem Kraftstoffinjektor für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Anordnungen dieser Gattung sind z.b. aus der US-PS 5 460 329 und der US-PS 5 407 131 bekannt.
Bei der Steuerventilanordnung nach US-PS 5 460 329 gelangt Kraftstoff als Steuerfluid über ein als Schieberven- til ausgestaltetes, elektromagnetisch betatigbares Steuerventil zu einem Druckverstarker im Injektor. Über die elektroma- gnetische Ansteuerung wird zu festgelegten Zeiten bzw. Kurbelwinkeln des Verbrennungsmotors der einzuspritzende Kraftstoff vom Druckverstärker unter hohen Druck gesetzt. Der unter hohen Druck gesetzte Kraftstoff bewirkt dann auf die herkömmliche Art, daß die Ventilnadel an der Düse des Injektors von ihrem Sitz abhebt und den Weg für den Kraftstoff zur Du- senoffnung freigibt, um den Kraftstoff in den Brennraum des Motors einzuspritzen.
Eine andere Art von Steuerventil für einen Kraftstof- fmiektor, der mit einem nockenbetriebenen Druckverstarkungs- kolben arbeitet, ist m der US-PS 5 407 131 beschrieben. Das Steuerventil ist hier ein Sitzventil das normalerweise, also im Ruhezustand, offen ist und das mit Hilfe eines Elektromagneten geschlossen werden kann. Im offenen Zustand fließt der von einer Niederdruck-Kraftstoffpumpe aus dem Tank geforderte Kraftstoff durch das Steuerventil zum Tank zurück. Die Kraftstoffeinspritzung m den Brennraum eines Dieselmotors wird eingeleitet durch Erregung des Elektromagneten, dessen magnetische Kraft des Sitzventil in den geschlossen Arbeitszustand bringt. Der Kraftstoff m Injektor, der nun nicht mehr ab- fließen kann, wird m der Folge vom nockenbetatigten Kolben des Druckverstarkers unter Druck gesetzt. Wenn der Druck den vorgegebenen Dusennadel-Offnungsdruck erreicht hat, beginnt die Einspritzung. Beendet wird die Einspritzung durch Aberre- gung des Elektromagneten, womit sich das Sitzventil wieder öffnet, so daß der Kraftstoff wieder abfließen kann und der Druck im Injektor abfällt. Ein Problem, das allgemein bei Steuerventilanordnungen zur Kraftstoffeinspritzung und insbesondere auch bei den vorstehend behandelten bekannten Anordnungen auftritt, bilden die Leckage und Verluste, die durch Undichtigkeiten und infolge der Durchströmung entstehen. Sowohl bei den Schieber- Ventilen als auch bei den Sitzventilen ist die Dichtfunktion eingeschränkt. Schieberventile sind nur ungenügend über den Dichtspalt abgedichtet, und bei Sitzventilen wird die Dichtfunktion vom Sitz nur in einer Richtung übernommen. Auch länger dauernde Durchströmungen, etwa durch Offenhalten eines Ventils für das Steuerfluid während des Ruhezustandes wie im Falle der Anordnung nach der obengenannten US-PS 5 407 131, sind als Verlust zu werten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerventilanordnung der eingangs erwähnten Gattung so auszuge- stalten, daß die beim Einsatz auftretenden Verluste vermindert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach hat der in der Ventilkammer mittels einer Betätigungseinrichtung axial ver- schiebbare Ventilkörper zwei starr zusammenhängende Abschnitte. Ein erster Abschnitt des Ventilkörpers bildet in einem ersten Abschnitt der Ventilkämmer ein Sitzventil zwischen Ventileinlaß und Ventilauslaß, das in einer Ruheposition des Ventilkörpers geschlossen und in einer Arbeitsposition des Ventilkörpers geöffnet ist. Ein zweiter Abschnitt des Ventilkörpers und ein zweiter Abschnitt der Ventilkammer bilden ein Schieberventil, welches in der Ruheposition des Ventilkörpers eine Fluidverbindung zwischen dem Ventilauslaß und einer Rücklauföffnung herstellt und die Fluidverbindung zwischen dem Sitzventil und dem Ventilauslaß sperrt und welches nach dem Verlassen der Ruheposition erst die RücklaufÖffnung schließt und danach eine Fluidverbindung zwischen dem Sitzventil und dem Ventilauslaß herzustellen beginnt.
Die erfindungsgemaße Steuerventilanordnung bildet somit zwei in Reihe geschaltete Einzelventile, deren eines als Sitzventil und deren anderes als Schieberventil ausgebildet ist. Da der Auslaß der Ventilanordnung in der Ruheposition des Ventilkorpers durch das geschlossene Sitzventil und zusatzlich durch das Schieberventil vom Einlaßdruck abgeschnitten ist und mit der RucklaufÖffnung in Verbindung steht, wird der Auslaß in dieser Phase drucklos gehalten, ohne daß Steu- erfluid als Verlust durch die Anordnung strömt. Außerdem bleiben in dieser Phase die Leckageverluste gering, infolge der sich addierenden (hintereinander geschalteten) Dichtwirkungen von Sitzventil und Schieberventil . Da sich das Sitz- ventil naturgemäß sofort beim Verlassen der Ruheposition Ventilkorpers zu offnen beginnt, kann sich der Raum zwischen diesem Ventil und dem Schieberventil bereits mit dem Einlaßdruck füllen, bevor letzteres nach Versperren der Rucklauf- offnung den Weg zum Auslaß freigibt, so daß die Druckbeauf- schlagung des Auslasses abrupt erfolgt.
Somit eignet sich der Auslaß der erfmdungsgemaßen Steuerventilanordnung besonders gut für eine hydraulische Steuerung des Einspritzvorganges, bei welcher die Einspritzphase durch Übergang des Ventilkorpers m die Arbeitposition eingeleitet wird und die Einspritzpause durch die Ruheposition des Ventilkorpers bestimmt wird.
Besondere Ausfuhrungsformen der Erfindung sind in den Unteranspruchen gekennzeichnet.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist der erste Abschnitt des Ventilkorpers ein im ersten Abschnitt der Ventilkammer dicht gleitender Steuerkolben, an dessen Vorderseite, die dem Sitzventil zugewandt liegt, eine dem Ventileinlaßdruck ausgesetzte ringförmige Wirkflache gebildet ist. Ein Steuerraum hinter einer rückseitigen Wirkflache des Steuer- kolbens ist über eine Zulaufdrossel mit dem Ventileinlaß und über eine durch die Betatigungsemπchtung zu öffnenden Ablaufdrossel mit einem Rucklaufanschluß verbunden. Hierbei sind die Stromungswiderstande der Drosseln und das Großenver- haltnis zwischen der ringförmigen Wirkflache und der rückseitigen Wirkflache so bemessen, daß sich der Ventilkorper beim Offnen der Ablaufdrossel in die Arbeitsposition bewegt und beim Schließen der Ablaufdrossel in die Ruheposition bewegt. Bei dieser Ausfuhrungsform ist der Steuerkolben vorzugsweise so ausgebildet, daß er beim Erreichen seiner Arbeitsposition dichtend auf den Zugang vom Steuerraum zur Ablaufdrossel druckt. Dies stellt sicher, im Sinne der obigen Aufgabenstellung, daß die Durchstromungsverluste begrenzt bleiben auf die kurze Ubergangsphase des Steuerkolbens von der Ruhe- m die Arbeitsposition.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und besonderer Ausgestaltungen derselben werden nachstehend zwei Ausfuh- rungsformen als Beispiele anhand von Zeichnungen naher beschrieben.
Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung eines Kraftstoffinjektors mit einer ersten Ausfuhrungsform einer erfindungs- gemaßen Steuerventilanordnung; Figuren 2, 3 und 4 zeigen jeweils im Schnitt die
Steuerventilanordnung nach Fig. 1 m drei aufeinanderfolgenden Betriebsphasen;
Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung des KraftstoffInjektors mit einer zweiten Ausfuhrungsfor einer erfmdungsge- maßen Steuerventilanordnung;
Figuren 6, 7 und 8 zeigen jeweils im Schnitt die Steuerventilanordnung nach Fig. 5 in drei aufeinanderfolgenden Betriebsphasen.
Der m Fig. 1 dargestellte Kraftstoffmjektor 1 ist ein Injektor mit hydraulischem Antrieb, der im wesentlichen aus den üblichen Komponenten Einspritzdüse 2, Hochdruckkolben 3, Druckverstarkungskolben 4 und einer Steuerventilanordnung 5 besteht, die mit einem Injektorgehause 6 eine Baueinheit bilden. Der Injektor ist m seinem Ruhezustand dargestellt. Die Einzelheiten der im Injektor nach Fig. 1 enthaltenen Steuerventilanordnung 5 gemäß einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung gehen deutlicher aus der vergrößerten Schnittdarstellung in den Figuren 2, 3 und 4 hervor. Die Steuerventilanordnung 5 hat ein Ventilgehause 21, in dem eine Ventilkammer gebildet ist, die vorzugsweise kreisrunde Quer- schnittsform hat und die, in Axialrichtung fluchtend, zwei Abschnitte 41a und 41b unterschiedlichen Durchmessers aufweist. In einem Bereich zwischen den beiden Abschnitten 41a und 41b ist der Kammerdurchmesser durch eine Ringnut 51 zusätzlich erweitert, in die ein Ventileinlaß 7 mundet. An der Wandung des zweiten Kammerabschnitts 41b mundet ein Ven- tilauslaß 23.
In der Ventilkammer befindet sich axial verschieblich em Ventilkorper 17, der zwei starr zusammenhangende Abschnitte 17a und 17b bildet, deren erster Abschnitt 17a sich m den ersten Abschnitt 41a der Ventilkammer und deren zwei- ter Abschnitt 17b sich in den zweiten Abschnitt 41b der Ventilkammer erstreckt. Der erste Ventilkorperabschnitt 17a hat einen größeren Durchmesser und bildet einen im ersten Kammerabschnitt 41a dicht gleitenden Steuerkolben. Der zweite Ventilkorperabschnitt 17b ist ein Schieber, der mit der Wan- düng des zweiten Kammerabschnitts 41b kleineren Durchmessers ein Schieberventil bildet und zu diesem Zweck mit einer Ringnut 24 versehen ist. Bei Bewegung des Ventilkorpers 17 kann eine erste Steuerkante 38 der Ringnut 24 eine zugeordnete Steuerkante 39 an einer verengten Fortsetzung 52 der Einlaß- Ringnut 51 überfahren, um eine Fluidverbindung vom Einlaß 7 zum Auslaß 23 wahlweise zu sperren oder zu offnen. Die andere Steuerkante 19 der Ringnut 24 kann die Kante zur der Außenwand 20 des Ventilgehauses 21 an der Endoffnung 49 des Ven- tilkammerabschnitts 41b überfahren, zum wahlweisen Offnen oder Schließen einer Fluidverbindung zwischen dem Auslaß 23 und einem Fluidrucklauf, m den die Endoffnung mundet.
Eine vorzugsweise kegelige Umfangsflache 50 des Ventilkorpers 17 am Übergang zwischen Steuerkolben 17a und Schieber 17b stellt die Vorderseite des Steuerkolbens dar und bildet in ihrem mittleren Bereich eine Zone zur Auflage auf einem Kegelventilsitz 18, der sich an der kegelig ausgebildeten Kante der Einlaß-Ringnut 51 befindet. WO 01 IX X 227 PCT/DE00/02642
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Zwischen der Ruckseite des Steuerkolbens 17a und der Endwand 37 der Ventilkammer 41 liegt ein Steuerraum 10, der über einen Kanal 9 im Steuerkolben 17a und eine Zulaufdrossel 8 mit der Einlaß-Ringnut 51 in Verbindung steht. Vom Steuer- räum 10 fuhrt eine Ablaufdrossel 11 über einen Verbindungskanal 12 zu einem Rucklaufanschluß 13. Die Ablaufdrossel 11 ist im Ruhezustand durch eine Kugel 14 verschlossen, die durch eine Feder 15 auf ihren Sitz 16 gedruckt wird. Durch Erregung einer Magnetspule 40 kann die Feder 15 über eine Ankerplatte 36 zurückgezogen werden, um Schließdruck wegzunehmen.
Beim Einsatz des Injektors 1 ist der Einlaß 7 der Steuerventilanordnung 5 mit einem nicht dargestellten Druckspeicher verbunden, einem sogenannten "Rail", worin sich ein Arbeitsmedium bzw. Steuerfluid wie z.b. Motorenöl oder Kraft- Stoff unter hohem Druck befindet. Der Rucklaufanschluß 13 und die Endoffnung 49 an der Außenwand 20 des Ventilgehauses 21 kommunizieren mit dem (nicht dargestellten) Tank, aus dem das Steuerfluid in das Rail zurück gepumpt wird. Der Auslaß 23 ist mit dem Raum 22 auf der Primarseite des Druckverstar- kungskolbens 4 verbunden. Die weiteren Einzelheiten des in Fig. 1 dargestellten Injektors 1 und deren Funktionsweise werden nachstehend gemeinsam mit dem Betrieb der Steuerventilanordnung 5 beschrieben.
Im Ruhezustand, also m der Einspritzpause, ist das Magnetventil 40 stromlos. Wegen der verschlossenen Ablaufdrossel 11 baut sich im Steuerraum 10 über den Einlaß 7, die Zulaufdrossel 8 und den Kanal 9 der Raildruck auf, der den Steuerkolben 17a des Ventilkorpers 17 nach links auf den Kegelsitz 18 druckt und somit das aus diesem Sitz 18 und der Kegelflache 50 gebildete Sitzventil geschlossen halt. In der so eingenommenen Stellung des Ventilkorpers 17, die m Fig. 2 dargestellt ist, befindet sich die Steuerkante 19 Schiebers 17b außerhalb der Außenwand 20 des Ventilgehauses 21 und gibt damit eine Verbindung vom Primarraum 22 des Druckverstar- kungskolbens 4 über den Ventilauslaß 23 und die Ringnut 22 zum Rucklauf frei. Der Raum 22 ist somit drucklos. Der Druck- verstarKungskolben 4 wird gemeinsam mit dem Hochdruckkolben 3 durch eine Feder 25 an einen oberen Anschlag 26 gedrückt. Der Sekundärraum 27 am Hochdruckkolben 3 ist über Einlaßkanäle 28 und 29 mit einem nicht dargestellten Kraftstoff-Versorgungssystem verbunden und deshalb mit Kraftstoff gefüllt. Vom Raum 27 führen Kanäle 30, 31 und 32 in den Ringraum 33 der Einspritzdüse 2. Im Ringraum 33 herrscht somit Versorgungsdruck, der nicht ausreicht, um die Düsennadel 34 entgegen der Kraft der Düsenfeder 35 zu öffnen.
Aus dem in Fig. 2 gezeigten Ruhezustand wird ein Ein- spritzvorgang durch Bestromung der Magnetspule 40 eingeleitet. Über die Ankerplatte 36 wird die Feder 15 zurückgezogen, die über die Kugel 14 die Ablaufdrossel 11 verschlossen hatte. Der Druck im Steuerraum 10 sinkt ab bis auf ein Maß, welches durch das Verhältnis der Strömungswiderstände von Zu- und Ablaufdrossel bestimmt ist. Vorderseitig am Steuerkolben 17a wirkt der volle Raildruck auf eine Ringfläche, die von der Kegelfläche 50 im Bereich radial außerhalb des Ventilsitzes 18 gebildet ist. Diese Ringfläche ist im Vergleich zur Wirkfläche an der Rückseite des Steuerkolbens 17a so bemes- sen, daß die vom Raildruck auf den Steuerkolben 17a ausgeübte Kraft überwiegt und letzteren nach rechts bewegt, bis eine Anschlagfläche 42 an der Kolbenrückseite die Endwand 37 erreicht und zugleich die Ablaufdrossel versperrt. In dieser Position oszelliert der Steuerkolben 17, wobei die Anschlag- fläche 42 die Ablaufdrossel periodisch öffnet und verschließt. Dieser Zustand ist der in Fig. 4 gezeigte Arbeitszustand.
Die Fig. 3 zeigt eine erste Bewegungsphase nach der Bestromung des Magnetventils 40, kurz nachdem der Ventilkör- per 17 die in Fig. 2 gezeigte Ruheposition verlassen hat.
Durch seine Bewegung nach rechts hat der Steuerkolben 17a den Ventilsitz 18 freigegeben. Die Steuerkante 19 an der Ringnut 24 des Schiebers 17b hat gerade die korrespondierende Steuerkante zur Gehäuseaußenwand 20 erreicht und damit die Verbin- düng zwischen dem Auslaß 23 und der Außenwelt (Rücklaufsystem) unterbrochen. Die andere Steuerkante 38 an der Ringnut 24 steht noch in Überdeckung mit der Steuerkante 39 des Ven- WO 01 IX X 227 PC TYDE00/02642
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tilgehauses 21 und versperrt somit noch die Verbindung zwischen dem Raildruck und dem Auslaß 23. Anderseits liegt der Raildruck nun auch an der radial inneren Fortsetzung der Kegelflache 50 des Steuerkolbens 17a. Infolge der somit vergro- ßerten Wirkflache wird die Bewegung des Steuerkolbens 17a nach rechts beschleunigt und die Schließkraft des Anschlages 42 an der Ablaufdrossel verstärkt.
Beim Erreichen der in Fig. 4 gezeigten Endstellung, also in der Arbeitsposition, ist das Sitzventil 50, 18 weit geöffnet, und die Steuerkante 38 des Schiebers 17b ist voll- standig von der korrespondierenden Steuerkante 39 weggefahren, so daß eine direkte Verbindung vom Rail über die Ringnut 24 zum Auslaß 23 und von dort zum Primarraum 22 des Druckver- starkungskolbens 4 freigegeben ist. Infolgedessen bewegen sich der Druckverstarkungskolben 4 und der Hochdruckkolben 3 nach unten, wobei der Hochdruckkolben 3 zunächst die Zulauf- bohrung 28 verschließt. Anschließend baut sich im Sekundar- raum 27 unterhalb des Hochdruckkolbens 3 hoher Druck auf, der wesentlich hoher ist als der Raildruck, da die Wirkflache des Druckverstarkungskolbens 4 wesentlich großer ist als die
Querschnittsflache des Hochdruckkolbens 3. Der hohe Druck gelangt über die Kanäle 30, 31 und 32 in den Ringraum 33 der Einspritzdüse 2, die sich m üblicher Weise selbständig öffnet und den Kraftstoff einspritzt. Das Ende der Einspritzung wird durch Unterbrechung der Bestromung des Magnetventils 40 eingeleitet. Die Ablaufdrossel 11 wird wieder von der Kugel 14 verschlossen, der Druck im Steuerraum 10 erreicht wieder das Niveau des Raildrucks, und der Ventilkorper 17 fahrt wieder zurück in die in Fig. 2 gezeigte Ruheposition. Das Sitzventil 18, 50 schließt, und die Verbindung zwischen Auslaß 23 und der Ruck- laufoffnung 49 an der Gehauseaußenwand 20 wird wieder geöffnet, so daß der Primarraum 22 oberhalb des Druckverstarkungskolbens 4 drucklos wird. Die Feder 25 bewegt den Druckver- starkungskolben 4 und den Hochdruckkolben 3 m die Ausgangslage, wobei sich der Raum 22 zurück über den Ventilauslaß 23 und die Ringnut 24 zum Rucklauf entleert und der Sekundarraum 27 über die Kanäle 28 und 29 erneut mit Kraftstoff füllt. Die Einspritzdüse 2 schließt durch die Kraft der Dusenfeder 35 selbständig.
Der in der Fig. 5 dargestellte Injektor ist, mit Aus- nähme einiger weniger Unterschiede in der Steuerventilanordnung, baugleich mit dem Injektor nach Fig. 1. Gleiche Teile und Teile gleicher Funktion sind in der Fig. 5 und in den Figuren 6, 7, 8 mit denselben Bezugszahlen bezeichnet wie in den Figuren 1 bis 4. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden im folgenden nur diejenigen Merkmale beschrieben, in denen sich die in den Figuren 5 bis 8 gezeigte zweite Ausfuhrungs- form von der ersten Ausfuhrungsform nach den Figuren 1 bis 4 unterscheidet .
Einzige Unterschiede sind die Ausbildung des den Steuerkolben bildenden Ventilkorperabschnitts 17a und die Ausbildung und Belegung des Raumes an dessen Ruckseite. Bei der zweiten Ausfuhrungsform fuhrt in die Ruckseite des Steuerkolbens 17a eine Blindbohrung 48, in welcher dicht gleitend ein zweiter Kolben 43 sitzt, der von einem Kanal 44 in axialer
Richtung durchdrungen ist. Die Ruckseite des zweiten Kolbens 43 stutzt sich an der Endwand 37 des Ventilkammerabschnitts 41a ab, und zwar derart, daß der Kanal 44 mit der Eintrittsoffnung der Ablaufdrossel 11 in Verbindung steht. Vom vorde- ren Teil des Steuerkolbens 17a im Bereich der Emlaß-Rmgnut 51 fuhrt die Zulaufdrossel 8 in den Raum am Fuß der Bohrung 48. Der den zweiten Kolben 43 umgebende Ringraum 47 zwischen dem rückwärtigen Ende des Steuerkolbens 17a und der Endwand 37 des Ventilkammerabschnitts 41a hat eine Druckausgleichs- Verbindung 45 nach außen.
Bei dieser Ausfuhrungsform ist der Steuerraum 10 gebildet durch den Raum am Fuß der Bohrung 48 zwischen dem Boden 46 dieser Bohrung und dem zugewandten Ende des zweiten Kolbens 43. In der Ruheposition gemäß Fig. 6 baut sich im Steuerraum 10, wegen der geschlossenen Ablaufdrossel 11, über den Einlaß 7, die Einlaß-Ringnut 51 und die Zulaufdrossel 8 der Raildruck auf, was den Steuerkolben 17a durch Beaufschla- gung seiner rückseitigen Wirkflache am Boden 46 der Bohrung 48 nach links druckt und das Sitzventil 18, 50 geschlossen halt. Nach dem Offnen Ablaufdrossel 11 durch Erregung der Magnetspule 40 strömt das Fluid aus dem Steuerraum 10 durch den Kanal 44 über die Ablaufdrossel 11 zum Rucklaufanschluß 13, so daß der Druck im Steuerraum 10 abnimmt und sich der Steuerkolben 17a nach rechts bewegt, gemäß Fig. 7, bis der Boden 46 seiner Bohrung 48 am vorderen Ende des zweiten Kolbens 43 anschlagt und den Kanal 44 verschließt, so daß kein weiteres Fluid mehr zur Ablaufdrossel 11 strömen kann. In dieser Position oszilliert der Steuerkolben 17 und öffnet und verschließt periodisch den Kanal 44. Dies ist der in Fig. 8 gezeigte Arbeitszustand.
Die anderen Teile des Ventilkorpers 17, welche mit den entsprechenden Bereichen der Ventilkammer das Sitzventil und das Schieberventil bilden, wirken in der Ruhepostion nach Fig. 6, in der Zwischenposition nach Fig. 7 und m der Arbeitsposition nach Fig. 8 genau so, wie es oben für die erste Ausfuhrungsform anhand der Figuren 2, 3 und 4 beschrieben wurde.
Neben den beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen sind natürlich andere Ausgestaltungen der Erfindung möglich. So kann sich der Steuerkolben 43 statt der Bohrung des Ventilkorpers 17a auch m der entsprechend großen Bohrung der Anschlagflache 37 befinden, wobei die Kanäle zur Zulaufdrossel durch das Ventilgehause gefuhrt werden müssen. Statt einer hydraulischen Steuerung des Ventilkorpers über einen Steuerraum kann auch für eine unmittelbare Betätigung des Ventilkorpers gesorgt werden, etwa durch körperliche Verbin- düng mit dem Anker einer Magnetspule oder mit einem anderen elektromechanischen Wandler. Auch ist der Einsatz der erfin- dungsgemaßen Steuerventilanordnung nicht auf die Beaufschlagung eines Druckverstarkers beschrankt; der Auslaß 23 kann auch unmittelbar mit dem Einlaßkanal einer Injektorduse ver- bunden werden, wenn der Raildruck genügend hoch bemessen wird. In diesem Fall ist das Fluid, welches die Steuerventi- lanordnung durchströmt, natürlich Kraftstoff wie z.b. Dieselöl.

Claims

Patentansprüche
1. Steuerventilanordnung (5) zum Einsatz in einem Kraftstoffinjektor (1) für Verbrennungsmotoren, mit einer in einem Gehäuse (21) gebildeten Ventilkammer, die einen Ventileinlaß (7) für ein unter Druck stehendes Fluid und einen Ventilauslaß (23) zum hydraulischen Steuern des Einspritzvorgangs an der Düse (2) des Kraftstoffinjektors aufweist und einen mittels einer Betätigungseinrichtung (40) axial verschiebbaren Ventilkörper (17) enthält, der je nach seiner Position eine Fluidverbindung zwischen Ventileinlaß (7) und Ventilauslaß (23) herstellt oder sperrt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein erster Abschnitt (17a) des Ventilkörpers in einem ersten Abschnitt (41a) der Ventilkammer ein Sitzventil (18, 50) zwischen Ventileinlaß (7) und Ventilauslaß (23) bildet, das in einer Ruheposition des Ventilkörpers (17) geschlossen und in einer Arbeitsposition des Ventilkörpers (17) geöffnet ist; daß ein mit dem ersten Abschnitt (17a) starr zusammenhängender zweiter Abschnitt (17b) des Ventilkörpers (17) und ein zweiter Abschnitt (17b) der Ventilkammer ein Schieberventil bilden, welches in der Ruheposition des Ventilkörpers (17) eine Fluidverbindung zwischen dem Ventilauslaß (23) und einer RücklaufÖffnung (49) herstellt und die Fluidverbindung zwischen dem Sitzventil (18, 50) und dem Ventilauslaß (23) sperrt und welches nach dem Verlassen der Ruheposition erst die RücklaufÖffnung (49) schließt und danach eine Fluidverbindung zwischen dem Sitzventil (18, 50) und dem Ven- tilauslaß (23) herzustellen beginnt.
2. Steuerventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (17a) des Ventilkörpers (17) ein im ersten Abschnitt (41a) der Ventilkammer dicht gleitender Steuerkolben ist, an dessen Vorderseite, die dem Sitzven- til (18, 50) zugewandt liegt, eine dem Ventilemlaßdruck ausgesetzte ringförmige Wirkflache gebildet ist; daß ein Steuerraum (10) hinter einer rückseitigen Wirkflache des Steuerkolbens (17) über eine Zulaufdrossel (8) mit dem Ventilemlaß (7) und über eine durch die Betatigungs- emπchtung (40) zu öffnende Ablaufdrossel (11) mit einem Rucklaufanschluß (13) verbunden ist, wobei die Stromungswi- derstande der Drosseln (8, 11) und das Großenverhaltnis zwischen der ringförmigen Wirkflache und der rückseitigen Wirkflache so bemessen sind, daß sich der Ventilkorper (17) beim Offnen der Ablaufdrossel (18) m die Arbeitsposition bewegt und beim Schließen der Ablaufdrossel (18) in die Ruheposition bewegt.
3. Steuerventilanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung des Steuerkolbens (17a) , daß er beim Erreichen seiner Arbeitsposition dichtend auf den Zugang vom Steuerraum (10) zur Ablaufdrossel (11) druckt.
4. Steuerventilanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Steuerkolben (17a enthaltende erste Abschnitt (41a) der Ventilkammer größeren Durchmesser hat als der das Schieberventil bildende zweite Abschnitt (41b) der Ventilkammer; daß der Sitz (18) des Sitzventils (18, 50) durch eine kegelförmige Gehausekante gebildet ist, welche sich am Übergang zwischen den beiden Abschnitten (41a, 41b) der Ventil- kammer befindet und an welcher eine mittlere Zone einer Ringflache (50) an der Vorderseite des Steuerkolbens (17a) dichtend aufliegt, wenn der Ventilkorper (17) m seiner Ruheposi-
5. Steuerventilanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringflache (50) an der Vorderseite des Steuerkolbens ein kegeliger Übergang am Ventilkorper (17) vom Durchmesser des ersten Abschnitts (17a) auf den kleineren Durchmesser des zweiten Abschnitts (17b) des Ventilkorpers ist und daß die den Sitz (18) des Sitzventils (18, 50) bildende Gehausekante die Kante zwischen einer ersten Ringnut (51) und einer verengten Fortsetzung (52) derselben in der Ventilkammer ist, wobei der Ventileinlaß (7) in die erste Ringnut (51) mundet, die einen größeren lichten Durchmesser als der erste Abschnitt (41a) der Ventilkammer bildet, und wobei die verengte Fortsetzung (52) der ersten Ringnut (51) am Übergang zum zweiten Abschnitt (41b) der Ventilkammer eine Steuerkante (39) für das Schieberventil bildet.
6. Steuerventilanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine zweite, im zweiten Abschnitt (17b) des Ventilkorpers (17) vorgesehene Ringnut (24), deren axiale Dimension so bemessen ist, daß sie m der Ruheposition des Ventilkorpers (17) die Rucklaufoffnung (49) und den Ventilauslaß (23) überspannt und nach dem Verlassen der Ruheposition die Rucklaufoffnung (49) verlaßt und gleichzeitig den Ventilauslaß (23) und die verengte Fortsetzung (52) der ersten Ringnut (51) überspannt.
7. Steuerventilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkante der Rucklaufoffnung (49) die Kan- te am äußeren Ende einer den zweiten Abschnitt (41b) der Ventilkammer bildenden Bohrung im Gehäuse (21) ist.
8. Steuerventilanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufdrossel (8) zum Steuerraum (10) in einem oder durch einen Stromungskanal (9) gebildet ist, der vom Ventileinlaß (7) durch den Steuerkolben (17a) hindurch zum Steuerraum (10) fuhrt.
9. Steuerventilanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufdrossel (11) durch einen Stromungskanal gebildet ist, dessen Eintrittsoffnung sich an der hinteren Endwand (37) der Ventilkammer befindet.
10. Steuerventilanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der rückseitigen Wirkflache des Steuerkolbens (17a) ein Anschlagelement (42) befindet, das sich beim Erreichen der Arbeitsposition dichtend auf die Eintrittsoffnung der Ablaufdrossel (11) legt.
11. Steuerventilanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum (10) am Fuß einer Bohrung (48) gebildet ist, die rückseitig in den Steuerkolben (17a) einge- bracht ist und in welche dicht gleitend ein zweiter Kolben
(43) greift, der sich an der hinteren Endwand (37) der Ventilkammer abstutzt und durch den hindurch ein Stromungskanal
(44) zur Eintrittsoffnung der Ablaufdrossel (11) fuhrt.
12. Steuerventilanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (47) zwischen dem rückseitigen Ende des Steuerkolbens (17a) und der hinteren Endwand (37) der Ventilkammer über einen Druckausgleichskanal (45) mit dem Umge- bungsdruck verbunden ist.
13. Steuerventilanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Bohrung (48) greifende vordere Ende des zweiten Kolbens (43) unter Abdichtung des zur Ablaufdrossel (11) fuhrenden Stromungskanals (44) am Boden (46) der Bohrung (48) anschlägt, wenn der Steuerkolben (17a) m seiner Arbeitsposition ist.
14. Steuerventilanordnung nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (40) ein elektromecha- nischer Aktor ist.
15. Steuerventilanordnung nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (40) auf ein Kugelventil (14, 16) wirkt, das zur Sperrung der Ablaufdrossel angeordnet ist.
16. Steuerventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilauslaß (23) mit der Primarseite (22) eines Druckverstarkers zur Steuerung der Düsennadel (34) des Kraftstoffinjektors (1) verbunden ist.
17. Steuerventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betatigungseinrichtung ein Piezoaktuator ist
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