WO2019154687A1

WO2019154687A1 - Elektromagnetisch betätigbares steuerventil für einen kraftstoffinjektor und kraftstoffinjektor

Info

Publication number: WO2019154687A1
Application number: PCT/EP2019/052221
Authority: WO
Inventors: Oezguer Tuerker; Richard Rauecker; Lorenz Zerle; Matthias Horn; Philipp Wachter; Lars Olems
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2019-08-15
Also published as: DE102018202107A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Steuerventil (10) für einen Kraftstoffinjektor (100), mit einem entlang einer Längsachse (40) hubbeweglich angeordneten Ventilelement (36), das einen hülsenförmigen Abschnitt (56) und einen plattenformigen Abschnitt (58) aufweist, wobei an dem hülsenförmigen Abschnitt (56) eine mit einem Ventilsitz (50) zusammenwirkende Dichtfläche (48) ausgebildet ist, und wobei der plattenförmige Abschnitt (58) einen mit einem Elektromagneten (42) zusammenwirkenden Anker ausbildet.

Description

Beschreibung

Titel

Elektromagnetisch betätiqbares Steuerventil für einen Kraftstoffiniektor und

Kraftstoffinjektor

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einem erfindungsgemäßen Steuerventil.

Aus der DE 10 2007 044 357 A1 der Anmelderin ist ein gattungsgemäßes elektromagnetisch betätigbares Steuerventil bekannt. Bei dem bekannten Steuerventil ist ein in Form einer Steuerhülse ausgebildetes Ventilelement vorgesehen, das an seinem Außenumfang mit einem plattenförmigen Anker verbunden ist. Die einem Magnetkern bzw. einer Magnetspule zugewandten Stirnseiten des Ventilelements und des Magnetankers sind dabei im

Wesentlichen eben ausgebildet und verlaufen oberflächenbündig zueinander. Weiterhin weist der Magnetanker eine variierende Dicke auf, um die Dicke des Magnetankers an den magnetischen Fluss anzupassen, der durch eine

Magnetspule des Elektromagneten erzeugt wird. Da der magnetische Fluss in radialer Richtung nicht konstant ist, sondern im Bereich der Magnetspule maximal ist, weist auch die Dicke des Magnetankers im Bereich der Magnetspule ihren maximalen Wert auf.

Bezüglich der Funktionseigenschaften eines derartigen Steuerventils ist es wünschenswert, dass die erzielbaren Öffnungshübe bzw. magnetischen und hydraulischen Eigenschaften des Steuerventils über den gesamten

Temperaturbereich möglichst konstant sind. Problematisch ist dabei

insbesondere der Kaltstart einer Brennkraftmaschine, der sich dadurch auszeichnet, dass die im Bereich des Steuerventils angeordneten, den

Öffnungshub bestimmenden Bauteile sich unterschiedlich schnell erwärmen. Diese unterschiedlich schnelle Erwärmung der Bauteile hat zur Folge, dass diese durch einen entsprechenden sogenannten Vorhaltewert des Hubs bei der Konzeption des Schaltventils berücksichtigt werden muss. Der dadurch erforderliche erhöhte Hub ist zum Beispiel bzgl. von Kavitätserscheinungen als nachteilhaft anzusehen. Auch ist der Elektromagnet stärker bzw. größer auszubilden, als dies erforderlich wäre, wenn sich alle Bauteil gleichmäßig erwärmen würden. Weiterhin ist anzumerken, dass die über das Steuerventil in einen Kraftstoffrücklauf geforderte Leckagemenge von der (fertigungsbedingten) Führung zwischen der Steuerhülse bzw. einem Magnetanker und einem zur Führung der Steuerhülse bzw. des Magnetankers dienenden Führungsstifts abhängig ist.

Aus der nachveröffentlichten DE 10 2016 223 914 A1 der Anmelderin ist darüber hinaus ein Steuerventil bekannt, das sich dadurch auszeichnet, dass der hülsenförmige Abschnitt des in Form eines Magentankers ausgebildeten Ventilelements den plattenförmigen Abschnitt auf der der Magnetspule zugewandten Seite überragt. Eine derartige konstruktive Ausgestaltung ermöglichst somit eine längere axiale Führung des Magnetankers auf dem Führungsstift und somit tendenziell eine Verringerung der Leckagemenge. Auf der Seite der Magnetspule ist in der Fig. 3 der Schrift eine Ausführung gezeigt, bei der der hülsenförmige, zylindrische Abschnitt einen größeren Durchmesser aufweist als auf der dem Dichtsitz zugewandten Seite.

Offenbarung der Erfindung

Das elektromagnetisch betätigbare Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es hinsichtlich seiner Funktionseigenschaften gegenüber dem durch die DE 10 2007 044 357 A1 bekannten Stand der Technik optimiert ist. Die Optimierung umfasst dabei zum einen eine Optimierung der Wärmeausdehnung der Bauteile des Steuerventils im Sinne einer homogeneren Erwärmung im Kaltstartfall zur Erzeugung stets möglichst gleich großer Hübe bei einer entsprechenden elektromagnetischen Kraft auf den Magnetanker und somit gleicher Abflussmengen. Weiterhin betrifft die Optimierung auch die Reduzierung der Leckagemenge zwischen dem Führungsstift und dem Magnetanker bzw. dem Ventilelement, was wiederum den Wirkungsgrad des Steuerventils bzw. des Kraftstoffinjektors erhöht. Hierzu ist es gemäß der Lehre der Erfindung vorgesehen, dass der

hülsenförmige Abschnitt den plattenförmigen Abschnitt beidseitig in Richtung der Längsachse überragt, und dass der Querschnitt eines ersten Teilabschnitts des hülsenförmigen Abschnitts auf der der Dichtfläche abgewandten Seite höchstens dem Querschnitt eines zweiten Teilabschnitts des hülsenförmigen Abschnitts auf der der Dichtfläche zugewandten Seite entspricht

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Steuerventils ermöglicht es somit, durch die Verlängerung des hülsenförmigen Abschnitts auf der der Dichtfläche abgewandten Seite das Ventilelement bzw. den Magnetanker über eine relativ lange Strecke radial zu führen, was die Leckagemenge reduziert. Darüber hinaus entsteht auch der durchaus überraschende Effekt, dass durch den zusätzlichen, auf der Seite der Magnetspule zugewandten Abschnitt des Ventilelements bzw. des Magnetankers die Masse des Ventilelements bzw. des Magnetankers im zentralen Bereich erhöht wird. Dies wiederum hat zur Folge, dass im Falle des Kaltstarts im zentralen Bereich des Ventilelements eine verzögerte Erwärmung stattfindet, ähnlich der den Magnetanker bzw. das Ventilelement umgebenden Bauteile. Dadurch wird insgesamt gesehen eine homogenere, d.h.

gleichmäßigere Erwärmung aller Bauteile des Steuerventils ermöglicht, was wiederum die Temperaturabhängigkeit des Hubs verringert und somit eine Verringerung des Nenn-Ankerhubs ermöglicht. Dies wiederum hat Vorteile hinsichtlich der Lebensdauer bzw. Genauigkeit der Kennlinie des Steuerventils über die gesamte Betriebsdauer, da Kavitationsschäden am Anker sowie am Führungsstift und Ventilstück tendenziell verringert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Steuerventils für einen Kraftstoffinjektor sind in den

Unteransprüchen aufgeführt.

Eine fertigungstechnisch bevorzugte Ausgestaltung des Steuerventils sieht vor, dass der hülsenförmige Abschnitts beidseitig des plattenförmigen Abschnitts zumindest im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.

Mit Blick auf das auf das Ventilelement bzw. den Magnetanker wirkende, und das Ventilelement in eine Schließposition drückende Federelement ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die Länge des hülsenförmigen Abschnitts in Richtung der Längsachse auf der dem Ventilsitz abgewandten Seite geringer ist als auf der der Dichtfläche zugewandten Seite. Dadurch wird der für das Federelement vorgesehene Bauraum maximiert.

Konkret ist in Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags vorgesehen, dass die Länge des hülsenförmigen Abschnitts auf der dem Ventilsitz abgewandten Seite maximal 30%, vorzugsweise zwischen 5% und 25% der Länge des hülsenförmigen Abschnitts auf der der Dichtfläche zugewandten Seite beträgt.

Die Erfindung umfasst auch einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen

Common-Rail-Injektor, der ein erfindungsgemäß ausgebildetes Steuerventil aufweist, wobei das Steuerventil zur Steuerung der Hubbewegung einer

Düsennadel dient, über deren Hubbewegung mindestens eine Einspritzöffnung freigebbar und verschließbar ist. Insbesondere ist ein derartiger Kraftstoffinjektor Bestandteil einer selbstzündenden Brennkraftmaschine.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Kraftstoffinjektor im Bereich des

erfindungsgemäßen Steuerventils im Längsschnitt und

Fig. 2 einen Teilbereich des Kraftstoffinjektors gemäß Fig. 1 in einer

vergrößerten Darstellung, ebenfalls im Längsschnitt.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

In der Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Teilbereich eines als Common-Rail- Injektor ausgebildeten Kraftstoffinjektors 100 dargestellt, in dem ein

erfindungsgemäßes Steuerventil 10 eingesetzt ist. Der Kraftstoffinjektor 100 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem das Steuerventil 10 angeordnet ist, das die Bewegung einer hubbeweglich angeordneten Düsennadel 14 steuert. Die Düsennadel 14 ist kolbenförmig ausgebildet und steuert mit ihrem dem

Steuerventil 10 abgewandten Ende in der Figur nicht dargestellte

Einspritzöffnungen, durch die Kraftstoff in einen Brennraum einer

selbstzündenden Brennkraftmaschine einspritzbar ist.

Die Düsennadel 14 ist in einem Ventilkörper 16 geführt, der im Gehäuse 12 angeordnet ist, und der eine Bohrung 18 aufweist, in der die Düsennadel 14 geführt ist. Durch die Bohrung 18 des Ventilkörpers 16 und die Düsennadel 14 ist ein Steuerraum 20 begrenzt, dessen Kraftstoffdruck auf die dem Steuerventil 10 zugewandte Seite der Düsennadel 14 wirkt und so eine Schließkraft auf die Düsennadel 14 erzeugt. Der Steuerraum 20 wird stets mit Kraftstoff und hohem Druck versorgt. Dies geschieht über einen Ringraum 22, der den Ventilkörper 16 umgibt, und der über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Bohrung mit einem Kraftstoffanschluss verbunden ist, über den von einer Hochdruckpumpe verdichteter Kraftstoff zugeführt wird. Der Ringraum 22 ist durch eine

Drosselbohrung 24 mit dem Steuerraum 20 verbunden, sodass mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung stets der gleiche Kraftstoffdruck sowohl im Steuerraum 20 als auch im Ringraum 22 herrscht. Der Ringraum 22 ist dabei über eine Dichtung 26 gegenüber dem Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 100 abgedichtet.

Der Druck im Steuerraum 20 wird durch das Steuerventil 10 geregelt. Hierzu weist der Ventilkörper 16 einen Ablaufkanal 28 auf, der mittig und koaxial zur Düsennadel 14 verläuft. Im Ablaufkanal 28 ist eine Drossel 30 ausgebildet, sodass die Menge des abfließenden Kraftstoffs nur gedrosselt durch den

Ablaufkanal 28 abfließen kann. Der Ablaufkanal 28 mündet in eine Ausnehmung 32, die Teil eines Druckraums 34 ist, wobei der Druckraum 34 durch ein als Magnetanker 36 ausgebildetes Ventilelement, einen Führungsstift 38 und durch die Ausnehmung 32 des Ventilkörpers 16 begrenzt ist.

Der Magnetanker 36 ist hubbeweglich in Richtung einer koaxial zur Düsennadel 14 verlaufenden Längsachse 40 auf dem Führungsstift 38 geführt, wobei der Magnetanker 36 durch einen Elektromagneten 42 bewegt werden kann.

Gleichzeitig stützt sich eine Schließfeder 44 zwischen dem Magnetanker 36 und einer Ringscheibe 46 ab, die mit dem Führungsstift 38 fest verbunden ist. Durch die Kraft der Schließfeder 44, die unter Druckvorspannung im Gehäuse 12 angeordnet ist, wird der Magnetanker 36 mit einer Dichtfläche 48 gegen den Ventilkörper 16 unter Ausbildung eines Ventilsitzes 50 gedrückt. Andererseits wird der Führungsstift 38 über die Ringscheibe 46 gegen das Gehäuse 12 gedrückt, sodass der Führungsstift 38 ortsfest im Gehäuse 12 angeordnet ist.

Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird der Elektromagnet 42 bestromt und der Magnetanker 36 in der Fig. 1 nach oben in Richtung zum Elektromagneten 42 gezogen, d.h. von dem Ventilsitz 50 weg. Hierdurch wird der Druckraum 34 mit einem Leckölraum 52 verbunden, der drucklos ist, da er über einen Ablauf 54 mit einem Niederdruckbereich verbunden ist. Der Druck im Druckraum 34 und im Steuerraum 20 sinkt daraufhin ab, und die Schließkraft auf die Düsennadel 14 vermindert sich soweit, dass sich die Düsennadel 14 in Richtung des

Steuerraums 20 bewegt und dadurch die Einspritzöffnungen freigibt, durch die jetzt Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Zur Beendigung der Einspritzung wird der Elektromagnet 42 stromlos geschaltet, sodass der Magnetanker 36 durch die Schließfeder 44 erneut gegen den Ventilsitz 50 am Ventilkörper 16 gedrückt wird, was den Druckraum 34 gegen den Leckölraum 52 verschließt. Der aus dem Ringraum 22 durch die

Drosselbohrung 24 nachfließende Kraftstoff erhöht erneut den Kraftstoffdruck im Steuerraum 20 und damit auch im Druckraum 34, was die Düsennadel 14 in ihre Schließstellung drückt, womit die Kraftstoffeinspritzung beendet ist.

Der Magnetanker 36 weist entsprechend der Darstellung der Fig. 2 einen den Führungsstift 38 unmittelbar umgebenden hülsen- bzw. ringförmigen Abschnitt 56 und einen radial von dem Abschnitt 56 nach außen ragenden, plattenförmigen Abschnitt 58 auf. Der plattenförmige Abschnitt 58 weist im Wesentlichen eine konstante Dicke d auf, wobei der plattenförmige Abschnitt 58 jedoch an seinem radial äußeren Bereich auf der dem Dichtsitz 50 zugewandten Seite eine radial umlaufende Fase 60 aufweist. Die dem Elektromagneten 42 zugewandte Oberseite 62 des plattenförmigen Abschnitts 58 ist eben ausgebildet. Wesentlich ist, dass der hülsenförmige Abschnitt 56 den plattenförmigen Abschnitt 58 in Längsrichtung, d.h. in Richtung der Längsachse 40 betrachtet, beidseitig überragt. Der hülsenförmige Abschnitt 56 umfasst somit auf der der Ringscheibe 46 bzw. dem Elektromagneten 42 zugewandten Seite einen ersten Teilabschnitt 64 und auf der dem Dichtsitz 50 zugewandten Seite einen zweiten Teilabschnitt 66. Der erste Teilabschnitt 64 weist einen Außendurchmesser Di auf, der höchstens dem Außendurchmesser D₂ des zweiten Teilabschnitts 66 entspricht. Bevorzugt sind die Querschnittsflächen der beiden Teilabschnitte 64, 66 zumindest im

Wesentlichen gleich ausgebildet, mit Ausnahme des dem Ventilsitz 50 zugewandten stirnseitigen Endabschnitts 68 des zweiten Teilabschnitts 66. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der erste Teilabschnitt 64 zylindrisch ausgebildet ist, wobei die Länge h des ersten Teilabschnitts 64 in Richtung der

Längsachse 40 maximal 30%, vorzugsweise zwischen 5% und 25% der Länge l₂ des zweiten Teilabschnitts 66 beträgt.

Das soweit beschriebene Steuerventil 10 bzw. der Kraftstoffinjektor 100 kann/können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.

Claims

Ansprüche

1. Elektromagnetisch betätigbares Steuerventil (10) für einen Kraftstoffinjektor (100), mit einem entlang einer Längsachse (40) hubbeweglich angeordneten Ventilelement (36), das einen hülsenförmigen Abschnitt (56) und einen plattenförmigen Abschnitt (58) aufweist, wobei an dem hülsenförmigen Abschnitt (56) eine mit einem Ventilsitz (50) zusammenwirkende Dichtfläche (48) ausgebildet ist, und wobei der plattenförmige Abschnitt (58) einen mit einem Elektromagneten (42) zusammenwirkenden Anker ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Abschnitt (56) den plattenförmigen Abschnitt (58) beidseitig in Richtung der Längsachse (40) überragt, und dass der

Querschnitt eines ersten Teilabschnitts (64) des hülsenförmigen Abschnitts (56) auf der der Dichtfläche (48) abgewandten Seite höchstens dem

Querschnitt eines zweiten Teilabschnitts (66) des hülsenförmigen Abschnitts (56) auf der der Dichtfläche (48) zugewandten Seite entspricht.

2. Steuerventil nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass der hülsenförmige Abschnitt (56) beidseitig des plattenförmigen Abschnitts (58) zumindest im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.

3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Querschnitt des hülsenförmigen Abschnitts (56) ringförmig ausgebildet ist.

4. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Länge (h) des ersten Teilabschnitts (64) in Richtung der

Längsachse (40) auf der dem Ventilsitz (50) abgewandten Seite geringer ist als die Länge ( ) des zweiten Teilabschnitts (66) auf der der Dichtfläche (48) zugewandten Seite.

5. Steuerventil nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Länge (h) des ersten Teilabschnitts (64) maximal 30%,

vorzugsweise zwischen 5% und 25% der Länge (I2) des zweiten

Teilabschnitts (66) beträgt.

6. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass der plattenförmige Bereich (58) auf der der Dichtfläche (48)

abgewandten Seite eine senkrecht zur Längsachse (40) verlaufende ebene Oberseite (62) ausgebildet.

7. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass der plattenförmige Bereich (58) auf der der Dichtfläche (48)

zugewandten Seite eine senkrecht zur Längsachse (40) verlaufende ebene Fläche aufweist, und dass der radial umlaufende Randbereich auf der der Dichtfläche (48) zugewandten Seite mit einer schräg angeordneten Fase (60) ausgestattet ist.

8. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Ventilelement (36) durch die Federkraft einer gegen eine Stirnseite des hülsenförmigen Abschnitts (56) zumindest mittelbar anliegende Feder (44) gegen den Ventilsitz (50) axial vorgespannt ist.

9. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass im Ventilelement (36) ein Führungsstift (38) axial beweglich

aufgenommen ist.

10. Kraftstoffinjektor (100), insbesondere Common-Rail-Injektor, mit einem

Steuerventil (10), das nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist, zur Steuerung der Hubbewegung einer hubbeweglichen Düsennadel (14), über deren Hubbewegung mindestens eine Einspritzöffnung freigebbar und verschließbar ist.