WO2009007195A1 - Steuerventil, insbesondere für einen kraftstoffinjektor einer brennkraftmaschine - Google Patents

Steuerventil, insbesondere für einen kraftstoffinjektor einer brennkraftmaschine Download PDF

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Holger Rapp
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Definitions

  • Control valve in particular for a fuel injector of an internal combustion engine
  • the invention relates to a control valve, in particular for a fuel injector of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Control valves for fuel injectors which are used as servo valves for indirectly controlling a nozzle needle of a fuel injector are known, for example from DE 103 22 672 Al.
  • These servo-valves comprise a piezo-actuator, which acts via a coupler module on a valve member which blocks a fluid flow from a valve chamber to a return channel in the closed position and connects the fluid flow from a rear control chamber of the nozzle needle with the return channel by opening a valve seat.
  • the coupler connected between the piezoactuator and the valve member comprises a coupler piston guided in a coupler housing and a valve piston, between which there is a coupler gap with a hydraulic cushion as a hydraulic coupler.
  • an actuator head is designed with a spherical bearing geometry, which dips into an arcuate, concave depression on an adjusting piece.
  • the valve piston must be preloaded by a valve piston spring with a preload of approximately 18N.
  • the valve piston spring presses the valve piston against a valve element of a valve member.
  • a sleeve is pressed onto the valve piston, on which the valve piston spring is supported on the valve piston side.
  • the counter bearing for the valve piston spring forms an annular surface on the coupler housing.
  • the object of the invention is achieved with the characterizing features of claim 1. This eliminates the pressed-on the valve piston sleeve for supporting the valve piston spring.
  • a conically wound valve piston spring which is supported in a circumferential groove on the valve piston.
  • the conically wound valve piston spring engages with the small winding diameter in the groove, so that the groove forms the valve piston-side support for the valve piston spring.
  • the recess has an annular bearing surface which extends slightly inclined in the radial direction in the direction of the central axis of the valve piston.
  • FIG. 1 shows a sectional view through a fuel injector with a coupler module according to the prior art DE 103 22 672 Al,
  • Figure 2 is a sectional view through the fuel injector with a coupler module according to the invention.
  • FIG. 3 shows an enlarged section X of the coupler module according to the invention in FIG. 2.
  • the fuel injector illustrated in FIGS. 1 and 2 has an injector body 10, a nozzle body 11, a valve plate 12 and a throttle plate 13, which are hydraulically tightly clamped by means of a nozzle clamping nut 15.
  • a receiving space 16 and a high pressure bore 17 is formed in the injector body 11.
  • a piezoelectric actuator 25 with an actuator base 26 and a coupler module 30 is arranged in the receiving space 16.
  • a nozzle needle pressure chamber 18 is formed, in which a nozzle needle 19 is guided axially movable.
  • the nozzle needle 19 is exposed at the rear end to a control chamber 20 which is surrounded radially by a control chamber sleeve 21 which hydraulically separates the control chamber 20 from the nozzle needle pressure chamber 18.
  • In the nozzle needle pressure chamber 18 performs a guided through the throttle plate 15 high-pressure bore 22 and guided through the valve plate 13 further high-pressure bore 23, which are hydraulically in communication with the high-pressure bore 17.
  • About these hydraulic connections stored in the common rail fuel reaches the prevailing system pressure in the nozzle needle pressure chamber 18 to which the nozzle needle 19 is exposed to a pressure shoulder, not shown.
  • the coupler module 30 comprises according to Figures 1 and 2, a coupler housing 31, a spring sleeve 32, a coupler piston 33, a valve piston 34, a Ventilkol- benfeder 35 and a shim 36.
  • the coupler housing 31 rests with a collar 37 on the valve plate 12. At the collar 37 also engages the spring sleeve 32, on which the shim 36 rests.
  • the coupler piston 33 is supported with a Kopplerkolbenbund 38.
  • the coupler piston 33 and the valve piston 34 are guided in guides formed on the coupler housing 31, respectively.
  • the coupler module 30 with the coupler gap 39 acts as a hydraulic coupler to compensate for elongations of the piezoactuator 25.
  • the coupler housing 31 has at the valve member end a filling chamber 47 into which the valve piston 34 protrudes and in which the valve piston spring 35 is arranged.
  • an adjusting piece 28 is arranged, on which the actuator head 26 rests with a spherical bearing 29.
  • a sleeve 48 on which the valve piston spring 35 is supported on the valve piston side, is pressed against the valve member-side end section of the valve piston 34 which projects into the filling space 47.
  • the counter bearing for the valve piston spring 35 forms an annular surface 49 on the coupler housing 31st
  • valve member 40 is arranged with a valve element 41 according to Figures 1 and 2.
  • the valve element 41 is mounted in a valve chamber 42 and is held by a valve spring 43 against a valve seat 44.
  • a valve piston formed on the valve piston 34 acts 45, with which the valve element 41 can be pushed off the valve seat 44.
  • the valve piston 34 is biased by the valve piston spring 35 in the direction of the valve element 41.
  • valve piston 34 has a notch 50 on a valve-member-side end section.
  • the indentation 50 forms on the valve piston 34 a support for the
  • Valve piston spring 35 off.
  • the support is performed by a circumferential recess 51 with a conical surface 52 and a support surface 53.
  • the valve piston spring 35 is designed as a conically wound valve piston spring 54 with a small winding diameter d 1 and a large winding diameter d 2. leads.
  • the indentation 50 or the recess 51 is preceded by a further conical section 55 on the valve element side on the valve piston 34.
  • the upstream conical section 55 serves as an insertion bevel for the conically wound valve piston spring 54 during assembly of the coupler module 40, as will be described in more detail later.
  • the support surface 53 forms an annular surface, the simplest
  • the annular bearing surface 53 may also be slightly conical, in such a way that the bearing surface 53 is slightly tilted in the direction of the central axis of the valve piston 34 to the valve end of the Ventilkobens 34 or open to the actuator end of the valve piston 34 back is.
  • the conically wound valve piston spring 54 engages better in the notch 50 or in the recess 51. It is furthermore advantageous if the axis of symmetry of the cone runs parallel to the center line of the valve piston 34, wherein the cone angle preferably has an angle of less than 180 ° and greater than 60 °.
  • the conically wound valve piston spring 54 is pushed with the large winding diameter d2 ahead of the other conical portion 55, so that the small winding diameter dl of the conically wound valve piston spring 54 at the other conical section
  • the conically wound valve spring 54 with the small winding diameter dl rests on the support 52 of the notch 50.
  • the support 52 thus forms the valve piston-side abutment for the valve piston spring 54.
  • the abutment for the large winding diameter d2 forms the valve piston spring 54, as in the prior art according to FIG. 1, the annular surface 49 formed on the coupler housing 31.
  • control chamber 20 is depressurized and the opening forces acting in the opening direction on the pressure shoulder, not shown, of the nozzle needle 19 exceed the closing forces acting in the control chamber 20 so that the fuel is injected from the nozzle needle pressure chamber 18 at system pressure of the common rail.

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Abstract

Es wird ein Steuerventil zum Steuern von Flüssigkeiten, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, mit einer Aktoreinheit (25), die über ein Kopplermodul (30) auf ein Ventilelement (41) wirkt, wobei das Kopplermodul (30) in einem Kopplergehäuse (31) geführt einen Kopplerkolben (33) und einen Ventilkolben (34) aufweist. Der Ventilkolben (34) weist eine Einkerbung (50) auf, die eine ventilkolbenseitige Auflagefür eine konisch gewickelten Ventilkolbenfeder(54) ausbildet.

Description

Beschreibung
Titel
Steuerventil, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung geht aus von einem Steuerventil, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Steuerventile für Kraftstoffinjektoren, die als Servo- Ventile zum indirekten Ansteuern einer Düsennadel eines Kraftstoffinjektors verwendet werden, sind bekannt, beispielsweise aus DE 103 22 672 Al. Diese Servo-Ventile umfassen einen Piezo-Aktor, der über ein Kopplermodul auf ein Ventilglied einwirkt, das in Schließstellung einen Fluidstrom von einem Ventilraum zu einem Rücklaufkanal sperrt und durch Öffnen eines Ventilsitzes den Fluidstrom aus einem rückwärtigen Steuerraum der Düsennadel mit dem Rücklaufkanal verbindet. Der zwischen Piezo-Aktor und Ventilglied geschaltete Koppler umfasst einen in einem Kopplergehäuse geführten Kopplerkolben und einen Ventilkolben, zwischen denen sich ein Kopplerspalt mit einem Hydraulikpolster als hydraulischer Koppler befindet. Am Piezo-Aktor ist ein Aktorkopf mit einer kugelförmigen Auflagegeometrie ausgeführt, die in eine bogenförmige, konkave Vertiefung an einem Einstellstück eintaucht. Um die Wiederbefüllung des Kopplerspaltes in den Einspritzpausen sicherzustellen, muss der Ventilkolben durch eine Ventilkolbenfeder mit einer Vorspannung von ca. 18 N vorgespannt sein. Die Ventilkolbenfeder drückt dabei den Ventilkolben gegen ein Ventilelement eines Ventilglieds. Dazu ist auf den Ventilkolben eine Hülse aufgepresst, an der sich die Ventilkolbenfeder ventilkolbensei- tig stützt. Das Gegenlager für die Ventilkolbenfeder bildet eine Ringfläche am Kopplergehäuse. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Steuerventil einfacher und kostengünstiger auszuführen.
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch entfällt die auf den Ventilkolben aufgepresste Hülse zur Abstützung der Ventilkolbenfeder.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
Besonders zweckmäßig ist die Verwendung einer konisch gewickelten Ventilkolbenfeder, die sich in einem umlaufenden Einstich am Ventilkolben abstützt. Da- bei rastet die konisch gewickelte Ventilkolbenfeder mit dem kleinen Wickeldurchmesser im Einstich ein, so dass der Einstich die ventilkolbenseitige Auflage für die Ventilkolbenfeder ausbildet. Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, der Einkerbung ventilelementseitig eine Einführschräge vorzuschalten, so dass die Ventilkolbenfeder bei der Montage mit dem großen Wickeldurchmesser der ko- nisch gewickelten Ventilkolbenfeder voran über die Einführschräge geschoben wird und der kleine Wickeldurchmesser der konisch gewickelten Ventilkolbenfeder vorgespannt über die Einführschäge gleitet und in die Einkerbung bzw. den Einstich einrastet. Um ein sicheres Einrasten zu gewährleisten, weist der Einstich eine ringförmige Auflagefläche auf, die in radialer Richtung leicht geneigt in Rich- tung der Mittelachse des Ventilkolbens verläuft.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Schnittdarstellung durch einen Kraftstoffinjektor mit einem Kopplermodul nach dem Stand der Technik gemäß DE 103 22 672 Al,
Figur 2 eine Schnittdarstellung durch den Kraftstoffinjektor mit einem erfindungsgemäßen Kopplermodul und
Figur 3 eine vergrößerter Ausschnitt X des erfindungsgemäßen Kopplermoduls in Figur 2.
Der in der Figur 1 und 2 dargestellte Kraftstoffinjektor weist einen Injektorkörper 10, einen Düsenkörper 11, eine Ventilplatte 12 und eine Drosselplatte 13 auf, die mittels einer Düsenspannmutter 15 hydraulisch dicht verspannt sind. Im Injektorkörper 11 ist ein Aufnahmeraum 16 und eine Hochdruckbohrung 17 ausgebildet. Im Aufnahmeraum 16 ist ein Piezo-Aktor 25 mit einem Aktorfuß 26 und ein Kopplermodul 30 angeordnet.
Im Düsenkörper 11 ist ein Düsennadeldruckraum 18 ausgebildet, in dem eine Düsennadel 19 axial beweglich geführt ist. Die Düsennadel 19 ist am rückwärtigen Ende einem Steuerraum 20 ausgesetzt, der radial von einer Steuerraumhülse 21 umgeben ist, die den Steuerraum 20 vom Düsennadeldruckraum 18 hyd- raulisch trennt. In den Düsennadeldruckraum 18 führt eine durch die Drosselplatte 15 geführte Hochdruckbohrung 22 und eine durch die Ventilplatte 13 geführte weitere Hochdruckbohrung 23, die mit der Hochdruckbohrung 17 hydraulisch in Verbindung stehen. Über diese hydraulischen Verbindungen gelangt der im Common-Rail gespeicherte Kraftstoff mit dem dort herrschenden Systemdruck in den Düsennadeldruckraum 18, dem die Düsennadel 19 mit einer nicht dargestellten Druckschulter ausgesetzt ist.
Das Kopplermodul 30 umfasst gemäß Figur 1 und 2 ein Kopplergehäuse 31, eine Federhülse 32, einen Kopplerkolben 33, einen Ventilkolben 34, eine Ventilkol- benfeder 35 und eine Ausgleichsscheibe 36. Das Kopplergehäuse 31 liegt mit einem Bund 37 auf der Ventilplatte 12 auf. Am Bund 37 greift außerdem die Federhülse 32 an, auf der die Ausgleichsscheibe 36 aufliegt. Auf der Ausgleichsscheibe 36 stützt sich der Kopplerkolben 33 mit einem Kopplerkolbenbund 38 ab. Der Kopplerkolben 33 und der Ventilkolben 34 sind in am Kopplergehäuse 31 ausgebildeten Führungen jeweils geführt. Die in das Kopplergehäuse 31 weisen- den Stirnflächen des Kopplerkolbens 33 und des Ventilkolbens 34 sind beabstandet zueinander angeordnet, so dass sich zwischen den Stirnflächen ein Kopplerspalt 39 ausbildet, der über in den Führungen des Kopplerkolbens 31 und des Ventilkolbens 34 vorhandenen Leckspalte mit dem hydraulischen Medium gefüllt ist. Dadurch wirkt das Kopplermodul 30 mit dem Kopplerspalt 39 als hydraulischer Koppler zum Ausgleich von Längendehnungen des Piezo-Aktors 25. Das Kopplergehäuse 31 weist an der ventilgliedseitigen Ende einen Befüllungs- raum 47 in den der Ventilkolben 34 hineinragt und in dem die Ventilkolbenfeder 35 angeordnet ist.
Zwischen Kopplerkolben 33 und Aktorkopf 26 ist ein Einstellstück 28 angeordnet, auf dem der Aktorkopf 26 mit einer kugelförmigen Auflage 29 aufliegt.
Bei der Ausführungsform des Standes der Technik gemäß Figur 1 ist an dem in den Befüllungsraum 47 hineinragenden ventilgliedseitigen Endabschnitt des Ventilkolbens 34 eine Hülse 48 aufgepresst, an der sich die Ventilkolbenfeder 35 ventilkolbenseitig stützt. Das Gegenlager für die Ventilkolbenfeder 35 bildet eine Ringfläche 49 am Kopplergehäuse 31.
In der Ventilplatte 12 ist gemäß Figur 1 und 2 ein Ventilglied 40 mit einem Ventilelement 41 angeordnet. Das Ventilelement 41 ist in einer Ventilkammer 42 gelagert und wird mittels einer Ventilfeder 43 gegen einen Ventilsitz 44 gehalten. Auf das Ventilelement 41 wirkt ein am Ventilkolben 34 ausgebildeter Ventilstempel 45 ein, mit dem das Ventilelement 41 vom Ventilsitz 44 abgedrückt werden kann. Der Ventilkolben 34 ist mittels der Ventilkolbenfeder 35 in Richtung auf das Ventilelement 41 vorgespannt.
Bei dem in Figur 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Kopplermodul 40 weist der Ventilkolben 34 an einem ventilgliedseitigen Endabschnitt eine Einker- bung 50 auf. Dei Einkerbung 50 bildet am Ventilkolben 34 eine Auflage für die
Ventilkolbenfeder 35 aus. Gemäß Figur 2 ist die Auflage durch einen umlaufenden Einstich 51 mit einer konischen Fläche 52 und einer Auflagefläche 53 ausgeführt. Die Ventilkolbenfeder 35 ist bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Figur 2 und 3 als eine konisch gewickelte Ventilkolbenfeder 54 mit einem kleinen Wickeldurchmesser dl und einem großen Wickeldurchmesser d2 ausge- führt. Der Einkerbung 50 bzw. dem Einstich 51 ist ventilelementseitig am Ventilkolben 34 ein weiterer konischer Abschnitt 55 vorgelagert. Der vorgelagerte konischer Abschnitt 55 dient als Einführschräge für die konisch gewickelte Ventilkolbenfeder 54 bei der Montage des Kopplermoduls 40, wie später noch näher be- schrieben wird. Die Auflagefläche 53 bildet eine Ringfläche, die in einfachster
Ausführung eben und orthogonal zur Mittelachse des Ventilkolbens 34 verläuft. In vorteilhafter Weise kann die ringförmige Auflagefläche 53 aber auch leicht konisch ausgeführt sein, und zwar derart, dass die Auflagefläche 53 in Richtung der Mittelachse des Ventilkolbens 34 zum ventilseitigen Ende des Ventilkobens 34 hin leicht gekippt ist bzw. zum aktorseitigen Ende des Ventilkolbens 34 hin geöffnet ist. Dadurch rastet die konisch gewickelte Ventilkolbenfeder 54 besser im in der Einkerbung 50 bzw. im Einstich 51 ein. Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die Symmetrieachse des Kegels parallel zur Mittellinie des Ventilkolbens 34 verläuft, wobei der Kegelwinkel vorzugsweise einen Winkel kleiner als 180° und größer als 60° aufweist.
Bei der Montage des Kopplermoduls 30 wird die konisch gewickelte Ventilkolbenfeder 54 mit dem großen Wickeldurchmesser d2 voran über den weiteren konischen Abschnitt 55 geschoben, so dass der kleine Wickeldurchmesser dl der konisch gewickelten Ventilkolbenfeder 54 sich am weiteren konischen Abschnitt
55 geringfügig aufweitet und beim Überschreiten des weiteren konischen Abschnitts 55 durch die beim Aufschieben entstehenden Vorspannung in die Einkerbung 50 bzw. den Einstich 51 einrastet. Dadurch liegt die konisch gewickelte Ventilfeder 54 mit dem kleinen Wickeldurchmesser dl auf der Auflage 52 der Einkerbung 50 auf. Die Auflage 52 bildet somit das ventilkolbenseitige Wiederlager für die Ventilkolbenfeder 54. Das Gegenlager für den großen Wickeldurchmesser d2 die Ventilkolbenfeder 54 bildet, wie beim Stand der Technik gemäß Figur 1 die am Kopplergehäuse 31 ausgebildete Ringfläche 49.
Die Funktionsweise des Kraftstoffinjektors von Figur 1 und 2 ist folgendermaßen:
Beim Betätigen des Piezo-Aktors 25 längt dieser aus. Der dadurch entstehende Druck wird über den Kopplerkolben 33, den Kopplerspalt 39 und den Ventilkolben 34 übertragen, wobei der Ventilkolben 34 mit dem Ventilstempel 45 das Ventilelement 41 vom Ventilsitz 44 wegdrückt. Dadurch wird der Hub des Piezo- Aktors 35 auf das Ventilelement 41 übertragen und es entsteht am Ventilsitz 44 ein entsprechender Ventilsitzspalt, so dass ein geöffneter Zustand des Ventil- elements 41 erzeugt wird. In dieser Schaltstellung wird eine zwischen Ventilkammer 42 und Steuerraum 20 vorhandener, nicht dargestellte Ablaufbohrung mit einem ebenfalls nicht gezeigten Ablaufkanal hydraulisch verbunden, wobei der Ablaufkanal in den Aufnahmeraum 16 mündet, der wiederum mit einem Niederdruck/Rücklaufsystem hydraulisch verbunden ist. Dadurch wird der Steuerraum 20 druckentlastet und die in Öffnungsrichtung an der nicht dargestellten Druckschulter der Düsennadel 19 wirkenden Öffnungskräfte übersteigen die im Steuerraum 20 wirkenden Schließkräfte, so dass der Kraftstoff aus dem Düsen- nadeldruckraum 18 mit Systemdruck des Common-Rails eingespritzt wird.

Claims

Ansprüche
1. Steuerventil zum Steuern von Flüssigkeiten, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine, mit einer Aktoreinheit (25), die über ein Kopplermodul (30) auf ein Ventilelement (41) wirkt, das mit einem Ventilsitz (44) zusammenwirkt und in Schließstellung einen Fluidstrom von einem Ventilraum (42) zu einem Rücklaufkanal sperrt, wobei das Kopplermodul (30) in einem Kopplergehäuse (31) geführt einen Kopplerkolben (33) und einen Ventilkolben (34) aufweist, wobei die Aktoreinheit (25) mit einem Aktorkopf (26) auf den Kopplerkolben (33) und der Ventilkolben (34) mit einem Ventilstempel (45) auf das Ventilelement (41) einwirken, wobei der Ventilkolben (34) mit einer Ventilkolbenfeder (35) gegen das Ventilelement (41) vorgespannt ist, und wobei die Ventilkolbenfeder (35) aktorseitig am Kopplergehäuse (31) und ventilelementseitig am Ventilkolben (34) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (34) eine Einkerbung (50) aufweist, die eine ventilkolbenseitige Auflage für die Ventilkolbenfeder (35) ausbildet.
2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkolbenfeder (35) als eine konisch gewickelt Ventilkolbenfeder (54) ausgeführt ist und dass die konisch gewickelte Ventilkolbenfeder (54) mit dem kleinen Wi- ckeldurchmesser dl in der Einkerbung (50) aufliegt.
3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkerbung (50) als ein umlaufender Einstich (51) mit einem konischen Abschnitt (52) und einer ringförmigen Auflagefläche (53) für die konisch gewickelte Ventilkolbenfeder (54) ausgebildet ist.
4. Steuerventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kleine Wickeldurchmesser dl der konisch gewickelten Ventilkolbenfeder (54) derart dimensioniert ist, dass die konisch gewickelte Ventilkolbenfeder (54) mit dem kleinen Wickeldurchmesser dl in der Einkerbung (50) bzw. im Einstich (51) einrastet.
5. Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Auflagefläche (53) eben und orthogonal zur Mittelachse des Ventilkolbens
(34) ausgerichtet ist.
6. Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Auflagefläche (53) konisch ausgeführt ist, derart, dass die konische Auflage- fläche zum aktorseitigen Ende des Ventilkolbens (34) hin geöffnet ist.
7. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkerbung (50) bzw. dem Einstich (51) ventilelementseitig am Ventilkolben (34) ein weiterer konischer Abschnitt (55) vorgelagert ist, der eine Einführschräge für die konisch gewickelte Ventilkolbenfeder (54) bildet, so dass die Ventilkolbenfeder (35) in die Einkerbung (50) bzw. in den Einstich (51) einrastet.
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