WO2001018381A1 - Gebautes steuerventil für einen injektor eines kraftstoffeinspritzsystems für brennkraftmaschinen - Google Patents

Gebautes steuerventil für einen injektor eines kraftstoffeinspritzsystems für brennkraftmaschinen Download PDF

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Abstract

Es wird ein Steuerventil (15) für Injektoren von Einspritzsystemen für Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, bei dem mit dem Steuerkolben (47) eine Hülse (61) lösbar verbunden ist. Die Hülse (61) weist einen Dichtkegel (67) auf.

Description

Gebautes Steuerventil für einen Injektor eines Kraftstoffeinspritzsvstems für Brennkraftmaschinen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für einen Injektor eines Kraftstoffeinspritzsystems für Brennkraftmaschinen mit einem von einem Bund eines Steuerkolbens und einer Bohrung eines Gehäuses radial begrenzten Ringraum, der an seinen Enden eine erste Ringnut und eine zweite Ringnut aufweist, wobei der Steuerkolben in mindestens einer koaxial zur Bohrung verlaufenden ersten Führungsbohrung axial verschiebbar geführt wird und wobei der Steuerkolben Mittel zum Abdichten des Ringraums von der ersten Ringnut und Mittel zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ringnut aufweist. Derartige Steuerventile sind als Sitz- Sitz-Ventil mit zweiteiligem Gehäuse oder als Sitz-Sitz- Ventil mit einteiligem Gehäuse und zwei Ventilkörpern bekannt. Nachteilig an der ersten bekannten Bauform ist der vergleichsweise große Hεrstellungsaufwand und die aufwendige Abdichtung des zweiteiligen Gehäuses gegenüber der Umgebung. Bei den Steuerventilen mit einteiligem Gehäuse und zwei Ventilkörpern müssen beide Ventilkörper angesteuert werden, um eine entsprechende Schaltung des Steuerventils zu erreichen.
Der Erf indung liegt die Aufgabe zugrunde , ein einf ach aufgebautes Steuervent il für einen Inj ektor eines KraftstoffeinspritzSystems bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Steuerventil für einen Injektor eines Kraftstoffeinspritzsystems für Brennkraftmaschinen mit einem von einem Bund eines Steuerkolbens und einer Bohrung eines Gehäuses radial begrenzten Ringraum, der an seinen Enden eine erste Ringnut und eine zweite Ringnut aufweist, wobei der Steuerkolben in mindestens einer koaxial zur Bohrung verlaufenden ersten Führungsbohrung axial verschiebbar geführt wird und wobei der Steuεrkolben Mittel zum Abdichten des Ringraums von der ersten Ringnut und Mittel zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ringnut aufweist und wobei die Mittel zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ringnut lösbar mit dem Steuerkolben verbunden sind.
Das erfindungsgemäße Steuerventil hat den Vorteil, dass es einfach in der Herstellung ist und auch einfach zu montieren ist, da die Mittel zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ringnut lösbar mit dem Steuerkolben verbunden sind.
Eine Variante sieht vor, dass die Mittel zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ringnut und/oder die Mittel zum Abdichten des Ringraums von der ersten Ringnut koaxial zur Längsachse des Steuerkolbens angeordnete kegelstumpfförmige Dichtkegel sind, so dass über die gesamte Lebensdauer des Steuerventils eine gute Dichtwirkung erzielt wird.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ringnut Teil einer koaxial zur Längsachse des Steuerkolbens angeordneten Hülse, so dass die Mittel zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ringnut einfach zu montieren sind. Bei einer anderen Variante ist vorgesehen, dass die dem Steuerkolben zugewandte Stirnfläche der Hülse eben ist und dass die der Hülse zugewandte Stirnfläche des Steuerkolbens eben ist, so dass die Hülse nicht durch den Steuerkolben zentriert wird und der Dichtkegel der Hülse bestmöglich auf der Dichtfläche im Gehäuse anliegt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die dem Steuerkolben zugewandte Stirnfläche der Hülse und die der Hülse zugewandte Stirnfläche des Steuerkolbens kegelstumpfförmig sind, so dass die Hülse vom Steuεrkolben zentriert wird und somit zusätzlich über die Führung des Steuerkolbens im Gehäuse geführt wird.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die Hülse in einer koaxial zur Bohrung verlaufenden zweiten Führungsbohrung des Gehäuses axial verschiebbar geführt, so dass eventuelle Fluchtungsfehler des Steuerkolbens sich nicht negativ auswirken .
Eine andere Ausführung sieht vor, dass die Hülse mittels eines über den Bund des Steuerkolbens in axialer Richtung hinausragenden Zapfens mit einem Außengewinde und einer Mutter mit dem Steuerkolben verbunden wird, so dass eine einfache und belastbare Verbindung von Hülse und Steuerkolben erzielt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Hülse mittels eines über den Bund des Steuerkolbens in axialer Richtung hinausragenden Zapfens mit einer Nut sowie einem Seegerring mit dem Steuerkolben verbunden, so dass eine schnellere Montage ermöglicht wird und ein unbeabsichtigtes Lösen der Verbindung von Steuerkolben und Hülse vermieden wird.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Hülse mittels einer in ein Innengewinde des Steuerkolbens gedrehten Schraube mit dem Steuerkolben verbunden, so dass die Baulänge des Steuerkolbens und die Zahl der Bauteile verringert wird.
In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen Hülse und der Mutter oder dem Seegerring oder der Schraube eine Tellerfeder oder eine Federscheibe angeordnet ist, so dass die Vorspannung, mit der die Hülse gegen die Stirnfläche des Steuerkolbens gepresst wird, einfach einstellbar ist.
Eine Variante sieht vor, dass zwischen der Hülse und dem Zapfen oder der Schraube ein Axialspiel, insbesondere von 10 μm bis 20 μm vorhanden ist, so dass sich die Hülse besser relativ zum Gehäuse ausrichten kann.
In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Bohrung und den Ringnuten Dichtflächen ausgebildet sind, die mit den Mitteln zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ringnut und/oder den Mitteln zum Abdichten des Ringraums von der ersten Nut zusammenwirken, so dass zwischen der Bohrung und den Ringnuten Dichtflächen ausgebildet sind, die mit den Mitteln zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ringnut und/oder den Mitteln zum
Abdichten des Ringraums von der ersten Nut zusammenwirken, so dass die Abdichtung verbessert wird.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ringraum mit dem Ventilsteuerraum des Injektors, die erste Ringnut mit dem Zulaufkanal des Injektors und die zweite Ringnut mit dem Kraftstoffrücklauf des Injektors in Verbindung steht, so dass die Leckagevεrluste minimiert werden .
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse einteilig ausgeführt ist, so dass dessen Herstellung vereinfacht und dessen Dichtheit verbessert wird.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, das Steuerventil als 3/2-Steuervεntil oder 3/3-Steuerventil zu betrieben, so dass die erfindungsgemäßεn Vorteile des Steuerventils bei beiden Schaltungsvarianten genutzt werden können .
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Einspritzsyste ein Common-Rail-Einspritzsystem ist, so dass die Vorteile des erfindungsgemäßen St'- lerventils auch diesen Einspritzsystemen zugute kommen.
Weiterε Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Beschrεibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Es zeigen:
Fig. 1: einen Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem schematisiert dargεstεllten Steuerventil;
Fig. 2: eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils im Schnitt;
Fig. 3: eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils im Schnitt; und
Fig. 4: ein Detail der Verbindung von Steuerkolben und
Hülse einer dritten Ausführungsform.
In Fig. 1 ist ein Injektor dargestellt. Über einen Hochdruckanschluss 1 wird Kraftstoff 3 über einen Zulaufkanal 5 zu einer Einspritzdüse 7 sowie über eine
Zulaufdrossel 9 in εinen Ventilsteuerraum 11 geführt. Der Ventilsteuerraum 11 ist über einen Abflusskanal 12 und eine Ablaufdrossel 13, die durch ein Steuerventil 15 geöffnet werden kann, mit einem Kraftstoffrücklauf 17 verbunden. Der Kraftstoff 3 ist in Fig. 1 als schwarze Fläche dargestellt.
Der Ventilsteuerraum 11 wird von einem Ventilkolben 19 begrenzt. An den Ventilkolbεn 19 schliεßt einε Düsennadel 21 an, die verhindert, dass der unter Druck stehεnde Kraftstoff 3 zwischen den Einspritzungen in den nicht dargestellten Brennraum fließt. Die Düsennadel 21 weist eine Querschnittsändεrung 23 von einem größeren Durchmesser 25 auf einεn kleineren Durchmesser 27 auf. Mit ihrem größeren Durchmesser 25 ist die Düsennadel 21 in einem Gehäuse 29 geführt. Die Querschnittsändεrung 23 begrenzt einen Druckraum 31 der Einspritzdüse 7
Bei geschlossener Ablaufdrossel 13 ist die auf einε Stirnfläche 33 des Ventilkolbens 19 wirkende hydraulische Kraft größer als die auf die Querschnittsänderung 23 wirkende hydraulischε Kraft, wεil die Stirnfläche 33 des Ventilkolbens 19 größer als die Ringfläche der Querschnittsändεrung 23 ist. In Folge dessen wird die Düsennadel 21 in einεn Düsεnnadelsitz 35 gepresst und dichtet den Zulaufkanal 5 zum nicht dargestellten Brεnnraum .ab.
Wenn die nicht dargestellte Hochdruckpumpe dεs Kraftstoffεinspritzsystems nicht angetrieben wird, weil der Motor steht, dann schließt eine auf einen Absatz 37 der Düsennadel 21 wirkende Düsenfeder 39 die Einspritzdüse 7 bzw. den Injektor.
Wenn die Ablaufdrossel 13 bzw. das Steuerventil 15 geöffnet wird, sinkt der Druck im Ventilsteuerraum 11 und damit die auf die Stirnfläche 33 des Steuεrkolbεns 19 wirkεnde hydraulische Kraft. Sobald diese hydraulische Kraft kleiner ist als die auf die Querschnittsänderung 23 wirkende hydraulische Kraft, öffnet die Düsennadel 21, so dass der Kraftstoff 3 durch die nicht dargestellten Spritzlöchεr in den Brεnnraum gelangεn kann. Diεsε indirεkte Ansteuerung der Düsennadel 21 über ein hydraulisches
Kraftverstärkersystem ist notwendig, weil die zu einem schnellen Öffnεn der Düsennadel 21 benötigten Kräfte mit dem Steuerventil 15 nicht direkt erzεugt werden können. Die dabei zusätzlich zu der in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge benötigte sogenannte "Steuεrmεnge " gelangt über die Zulaufdrossel 9, den Ventilsteuerraum 11 und die Ablaufdrossel 13 in den Kraftstoffrücklauf 17.
Zusätzlich zur Steuermenge entsteht auch noch an der Düsennadelführung und der Ventilkolbenführung eine Leckage. Die Steuer- und die Leckagemengεn können bis zu 50 mm3/Hub betragen. Sie werden über den Kraftstoffrücklauf 17 wieder in den nicht dargestellten Kraftstoffbehälter zurückgeführt. Zwischen den Einspritzungen wird die Ablaufdrossel 13 durch das Steuerventil 15 verschlossen.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils. In dem Gehäuse 29 ist eine Bohrung 41 vorgesehen. Koaxial zur Bohrung 41 ist eine erste Führungsbohrung 43 und eine zweite Führungsbohrung 45 vorhanden. In der ersten Führungsbohrung 43 ist ein Steuerkolbεn 47 geführt. Der Steuerkolben 47 weist einen Bund 49 auf, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmεssεr dεr Bohrung 41. Die Bohrung 41 weist an ihren
Enden eine erste Ringnut 50 und eine zweite Ringnut 51 auf. Die Bohrung 41 hat einen kleineren Durchmesser als die erste Führungsbohrung 43 und die zweite Führungsbohrung 45. Da dεr Steuεrkolben 47 mindestens in der ersten Führungsbohrung 43 geführt ist, ist sein Durchmesser 53 in dem Abschnitt, welcher sich in der ersten Führungsbohrung 43 befindet, größer als der des Bunds 49. Den Übergang zwischen dem Bund 49 und dem größeren Durchmesser 53 bildet ein als Dichtkegel 55 ausgeführter Kegelstumpf. Zwischen der Bohrung 41 und der ersten Ringnut 50 ist in dem Gehäuse 29 ein erster Dichtsitz 59 ausgebildet, der mit dem
Dichtkegel 55 den von Bund 49 und Bohrung 41 gebildeten Ringraum von dεr ersten Ringnut 50 hydraulisch trennεn kann. In dεr zweiten Führungsbohrung 45 ist εine Hülse 61 mit einer Mittenbohrung geführt, die über einεn Zapfen 63 mit Gewinde und einer Mutter 65 mit dem Steuerkolben 47 verschraubt ist. Die Hülse 61 weist an ihrem dem Bund 49 zugewandten Ende einen Dichtkegel 67 auf. Der Dichtkegel 67 kann zusammen mit einem zwischen zwischen Bohrung 41 und zweiter Ringnut 51 angeordneten zweiten Dichtsitz 69 , den Ringraum von der zweitεn Ringnut 51 trennεn. In dεr dargestellten Ausführungsform sind die Stirnfläche des Bundes 49 und eine entsprechende Stirnfläche 71 der Hülse 61 eben, so dass beim Verschrauben von Hülse 61 und Steuerkolben 47 die Hülse 61 nicht von dem Steuerkolben 47 zentriert wird. Dies wird dadurch erlεichtεrt, dass zwischen dεm Zapf n 63 und der Mittenbohrung dεr Hülse 61 Spiel vorhanden ist.
In Fig. 2 ist auch zu erkennen, dass die erste Ringnut mit dem Zulaufkanal 5 in Verbindung steht, dass die zweite Ringnut 51 mit dem Kraftstoffrücklauf 17 in Verbindung steht und dass der Ringraum zwischen Bund 49 und Bohrung 41 mit dem Abflusskanal 12 und dem Ventilsteuerraum 11 hydraulisch verbunden ist.
Betätigt wird das Steuerventil durch einen nicht dargestellten Aktor, dεr auf den Steuerkolben 47 einwirkt. Der Aktor kann beispielsweisε εin Piezo-Aktor oder ein Magnetventil sein. Das erfindungsgεrnäße Steuεrvεntil kann als 3/2-Steuervεntil oder als 3/3-Steuerventil eingesetzt werden. Wenn es als 3/2-Steuervεntil eingesetzt wird, wird entweder die erste Ringnut 50 oder die zweite Ringnut 51 von den Ringraum hydraulisch getrennt. Andernfalls kann der Steuerkolbεn 47 zusätzlich eine Zwischensteliung einnehmen in der die drei Anschlüsse des Steuεrvεntils hydraulisch verbunden sind. Diese Schaltstellung kann vorteilhaft sein, wenn bei der Haupteinspritzung ein schnelles Öffnen der Düsennadel 21 gewünscht wird.
In Fig. 3 ist eine wεitεrε Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils 15 dargestellt. Gleiche Bautεilε wurden mit gleichen Bezugszahlεn versehen und werden nicht weiter εrläutεrt . Im Untεrschiεd zu dεr in Fig. 2 dargεstelltεn Ausführungsform ist zwischen der Mutter 65 und der Hülse 61 eine Tellerfeder 70 angeordnet, welche das Einstellen einer definiεrtεn Anprεsskraft zwischεn Hülse 61 und dεr Stirnfläche dεs Bundεs 49 erleichtert . Ein weiterer Unterschied zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform besteht darin, dass die Stirnfläche des Bundes 49 kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Die Stirnfläche 71 der Hülse 61 ist ebenfalls entsprechend kegelstumpfförmig ausgeführt . Dadurch wird die Hülse 61 durch den Steuεrkolbεn 47 zentriert. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Koaxialität von erster Führungsbohrung 43, zweiter Führungsbohrung 45, erstem Dichtsitz 59 und zweitem Dichtsitz 69 des Gεhäuses 29 mit der gεfordεrtεn Präzision herstellbar ist
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt aus εiner Verbindung von Steuerkolbεn 47 und Hülse 61 dargestεllt. Bei diesεr Ausführungsform wird in den Zapfεn 63 des Steuerkolbens 47 eine Nut 75 eingestochen, in der ein Sεεgεrring 77 montiert ist. Zwischen dem Ende der Hülse 61 und dem Seegerring 77 sind eine Tellerfedεr 70 und einε Untεrlεgscheibε 79 angeordnεt . Diese Verbindung ist einfach herzustεllεn, leicht zu montierεn und außεrdεm sehr gut gegen unbeachtsichtigtεs Lösen der Verbindung von Hülse 61 und Steuεrkolbεn 47 gesichert.
Alle in dεr Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliεbigεr Kombination mitεinandεr εrfindungswesεntlich sεin.

Claims

Ansprüchε
1. Steuerventil für den Injektor eines
Kraftstoffeinspritzsystems für Brennkraftmaschinen mit einem von einem Bund (49) eines Steuεrkolbens (47) und einer Bohrung (41) eines Gehäuses (29) radial begrenzten Ringraum, der an seinen Enden eine erste Ringnut (50) und eine zweitε Ringnut (51) aufwεist, wobεi der Steuerkolben (47) in mindestens einer koaxial zur Bohrung (41) verlaufendεn ersten Führungsbohrung (43) axial verschiebbar geführt ist, und wobei der Steuεrkolben (47) Mittel zum Abdichten des Ringraums (55) von der erstεn Ringnut (50) und Mittεl zum Abdichtεn dεs Ringraums (67) von dεr zweiten Ringnut (51) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abdichten des Ringraums (67) von dεr zwεiten Ringnut (51) lösbar mit dεm Stεuerkolben (47) vεrbundεn sind.
2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abdichten des Ringraums (67) von der zweiten Ringnut (51) und/oder die Mittel zum Abdichten des Ringraums (55) von der ersten Ringnut (50) einen koaxial zur Längsachsε dεs Steuerkolbens angeordneten kegelstumpfförmigεn Dichtkegel (55, 67) aufweisen.
3. Steuεrventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzεichnet , dass die Mittel zum Abdichten des Ringrraums (67) von der zwεiten Ringnut (51) ein Teil einer koaxial zur Längsachse des Steuerkolbens (47) angeordnεten Hülse ( 61 ) sind .
4. Steuεrventil nach Anspruch 3, dadurch gεkennzεichnet , dass die dem Steuerkolbεn (47) zugεwandte Stirnfläche (71) der Hülse (61) eben ist, und dass die der Hülse (61) zugewandte Stirnfläche des Steuerkolbens (47) eben ist.
5. Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekεnnzeichnet , dass die dem Steuεrkolbεn (47) zugewandte Stirnfläche (71) der Hülse (61) und die der Hülse (61) zugewandte
Stirnfläche des Steuerkolbens (47) kegelstumpfförmig sind.
6. Steuεrventil nach εinεm dεr Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnεt, dass diε Hülse (61) in einer koaxial zur Bohrung (41) verlaufenden zwεiten Führungsbohrung (45) des Gehäuses (29) axial verschiebbar geführt ist.
7. Steuerventil nach einεm dεr Ansprüchε 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (61) mittels eines über den Bund (49) des Steuεrkolbεns (47) in axialer Richtung hinausragenden Zapfens (63) mit einε Außεngεwindε und einer Mutter (65) mit dem Steuerkolben (47) verbunden ist.
8. Steuerventil nach εinεm dεr Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekεnnzeichnet, dass diε Hülsε (61) mittels eines über den
Bund (49) des Steuerkolbεns (47) in axialer Richtung hinausragenden Zapfens (63) mit einer Nut (75) sowie einem Seεgεrring (77) mit dεm Stεuerkolben (47) verbunden ist.
9. Steuerventil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzεichne , dass die Hülsε (61) mittels εinεr in ein Innengewindε des Steuεrkolbεns (47) gedrehten Schraube dem Steuerkolben (47) verbunden ist.
10. Steuerventil nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekεnnzeichnet, dass zwischen dεr Hülse (61) und der Mutter (65) oder dem Sεegerring (77) oder der Schraube eine Tellerfeder (70) oder einε Fεdεrscheibe angeordnεt ist.
11. Stεuεrvεntil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hülse (61) und dem Zapfen (63) oder der Schraubε εin Axialspiel, insbesondεre von 10 μm bis 20 μm vorhanden ist.
12. Steuervεntil nach einem der vorhergehεndεn Ansprüchε, dadurch gεkεnnzεichnεt , dass zwischen der Bohrung (41) sowie der ersten und der zwεiten Ringnut (50, 51) Dichtflächen (59, 69) ausgebildet sind, die mit den Mitteln zum Abdichtεn des Ringraums (67) von dεr zwεiten Ringnut (51) und/odεr den Mitteln zum Abdichten des Ringraums (55) von dεr ersten Ringnut (50) zusammenwirken.
13. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüchε, dadurch gekennzeichnεt, dass dεr Ringraum mit dem Ventilsteuerraum des Injektors in Verbindung steht.
14. Steuεrvεntil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ringnut (50) mit dem Zulaufkanal (5) in Verbindung steht.
15. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gεkεnnzεichnεt , dass die zweite Ringnut (51) mit dem Kraftstoffrücklauf (17) in Verbindung steht.
16. Steuervεntil nach einem der vorhergehendεn Ansprüchε, dadurch gekεnnzεichnet , dass das Gεhäuse (29) einteilig ausgeführt ist.
17. Steuεrvεntil nach εinεm dεr vorhεrgehenden Ansprüche, dadurch gekennzεichnεt , dass das Stεuεrventil ein 3/2- Steuεrvεntil ist.
18. Stεuεrvεntil nach einem der vorhergεhenden Ansprüchε, dadurch gεkεnnzεichnεt, dass das Stεuεrvεntil ein 3/3- Steuervεntil ist.
19. Steuεrvεntil nach εinem der vorhergehendεn Ansprüchε, dadurch gεkεnnzεichnεt, dass das Einspritzsystεm εin Common-Rail-Einspritzsystem ist.
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