Titel

Steuerventil für ein Kraftstoffeinspritzventil

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für ein Kraftstoffeinspritzventil, das zur Dosierung des durch das Kraftstoffeinspritzventil ausgespritzten Kraftstoffs Verwendung findet.

Stand der Technik

Aus der DE 10 2010 001 486 AI ist ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem Steuerventil bekannt, das als Magnetventil ausgeführt ist. Über das Magnetventil kann ein Steuerraum mit einem Niederdruckraum verbunden werden, wobei der Steuerraum eine hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel des Kraftstoffinjektors ausübt, sodass diese bei entsprechend hohem Druck im Steuerraum in ihrer Schließstellung gehalten wird. Wird die Verbindung des Steuerraums mit dem Niederdruckraum über das Steuerventil freigegeben, so sinkt der Druck im Steuerraum und entsprechend sinkt die hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel bis diese, angetrieben durch den hydraulischen Druck des Kraftstoffs, der die Düsennadel umgibt, von ihrem Dichtsitz abhebt und Einspritzöffnungen freigibt.

Das Steuerventil beinhaltet einen Magnetanker, der einen hülsenförmigen Abschnitt mit einem Dichtsitz aufweist, der mit einem entsprechenden Körpersitz zusammenwirkt und dadurch den Ablaufquerschnitt zwischen dem Steuerraum und dem Niederdruckraum freigibt oder verschließt. Für eine ordnungsgemäße Funktion ist es hierbei entscheidend, dass der Magnetanker einen genau definierten Hub ausführt. Ist dieser Hub zu klein, so kann es zu Drosselungen am Dichtsitz des Magnetankers kommen, sodass der Druck im Steuerraum nicht wie beabsichtigt absinkt und damit das Einspritzventil entweder gar nicht oder nur verzögert öffnet, was die Einspritzmenge entsprechend beeinträchtigt. Der Mag- netanker sollte aber auch keinen zu großen Hub ausführen, da dann der Druck in einem Zwischenraum unmittelbar vor dem Dichtsitz zu stark abfallen kann, was das Auftreten von Kavitationsschäden begünstigt: Da der Kraftstoff im Steuerraum unter sehr hohem Druck steht, entspannt er sich beim Abfließen in Richtung des Niederdruckraums, sodass es im Zwischenraum zwangsläufig zu Kavitation kommt. Je niedriger der Druck im Zwischenraum, desto langlebiger sind die auftretenden Kavitationsblasen und desto wahrscheinlicher sind Schäden im Bereich des Steuerventils. Einen genau definierten Hub des Magnetankers über die Lebensdauer zu garantieren, ist jedoch schwierig und erfordert einen hohen fertigungstechnischen Aufwand.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Steuerventil für ein Kraftstoffeinspritzventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass Schäden durch Kavitation am Steuerventil zuverlässig verhindert werden und gleichzeitig der Fertigungsaufwand und die entsprechend einzuhaltenden Fertigungstoleranzen geringer werden. Dazu weist das Steuerventil ein längsbewegliches Steuerventilelement auf, das mit einem Steuerventilsitz zum Öffnen und Schließen eines Ventilraums gegenüber dem Niederdruckraum zusammenwirkt, wobei in den Ventilraum eine mit dem Hochdruckbereich verbundene Ablaufdrossel mündet. Im Ventilraum, zwischen der Ablaufdrossel und dem Steuerventilsitz, ist ein Drosselelement angeordnet, das wenigstens eine Drosselöffnung aufweist.

Am Drosselelement, das zwischen der Ablaufdrossel, durch die der Kraftstoff aus dem Steuerraum des Kraftstoffeinspritzventils fließt, und dem Steuerventilsitz angeordnet ist, kommt es zu einem Druckabfall, wenn das Steuerventil entsprechend weit geöffnet ist. Dadurch wird der Druck im Ventilraum zwischen der Ablaufdrossel und dem Drosselelement auf einem gewissen Niveau gehalten, da der Kraftstofffluss durch das Drosselelement gehemmt ist, auch dann, wenn das Steuerventil relativ weit geöffnet ist. Im Ventilraum tritt deshalb nur wenig Kavitation auf, und entsprechende Schäden am Steuerventil bleiben aus.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ventilraum als Bohrung in einem Ventilstück ausgebildet, das Teil des Steuerventils ist. Auch der Steuerven- tilsitz kann in vorteilhafter Weise am Ventilstück ausgebildet werden, ebenso wie die Ablaufdrossel im Ventilstück ausgebildet sein kann. Da das Ventilstück als separates Bauteil gefertigt ist, kann es einfach und kostengünstig hergestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Steuerventilelement als Magnetanker ausgebildet, der durch einen Elektromagneten bewegbar ist. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist dabei das Ventilelement zumindest abschnittsweise hülsenförmig ausgebildet und weist dann an einem dem Steuerventilsitz zugewandten Ende einen kreisringförmigen Dichtbereich auf. Ein solcher kreisringförmiger Dichtbereich ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Ventilraum als Bohrung ausgebildet ist, da sich beides dann einfach konstruktiv umsetzen lässt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Drosselelement als Drosselscheibe ausgebildet, in der eine oder mehrere Drosselöffnungen ausgebildet sind. Dieses Drosselelement lässt sich als separates Bauteil fertigen und in einfacher Art und Weise innerhalb des Ventilraums platzieren. Dabei ist das Drosselelement in vorteilhafter Weise so angeordnet, dass das über das Steuerventil abfließende Fluid, vorzugsweise Kraftstoff, ausschließlich über die Drosselöffnungen von der Ablaufdrossel zum Niederdruckraum fließen kann. Durch die Ausbildung der Drosselöffnungen lässt sich der Durchflusswiderstand über deren Durchmesser und Anzahl einfach einstellen.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Steuerventils dargestellt. Es zeigt:

Figur 1 ein erfindungsgemäßes Steuerventil, wobei dieses als Teil eines Kraftstoffinjektors dargestellt ist, der schematisch angedeutet ist,

Figur 2 eine Detaildarstellung des Steuerventils im Bereich des Steuerventilsitzes,

Figur 3a, 3b, 3c eine Draufsicht auf erfindungsgemäße Drosselelemente, die hier als Drosselscheibe ausgebildet sind und unterschiedliche Drosselöffnungen aufweisen, und Figur 4 den zeitlichen Verlauf des Hubs des Steuerventilelements, jeweils mit und ohne Drosselelement.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Steuerventil im Längsschnitt dargestellt zusammen mit den wesentlichen Bestandteilen eines Kraftstoffinjektors, der nur schematisch angedeutet ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 umfasst ein Steuerventil 2, das ein Ventilgehäuse 3 umfasst. Das Ventilgehäuse 3 ist in Anlage an einem nur angedeuteten Injektorkörper 4 und ist flüssigkeitsdicht mit diesem verspannt. Im Ventilgehäuse 3 ist ein Magnetkern 5 angeordnet, der über eine Blattfeder 8 gegen einen Absatz im Ventilgehäuse 3 verspannt ist und damit ortsfest gehalten wird. Innerhalb des Magnetkerns 5 ist eine Magnetspule 6 angeordnet, sodass der Magnetkern 5 und die Magnetspule 6 zusammen einen Elektromagneten bilden. Der Magnetkern 5 begrenzt zusammen mit dem Ventilkörper 4 und einem Ventilstück 15, das innerhalb des Injektorkörpers 4 angeordnet ist, einen Niederdruckraum 18, der bei Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils mit Kraftstoff gefüllt ist, dabei jedoch ständig mit einem Niederdruckablauf verbunden ist und damit nur unter niedrigem Druck steht. Das Ventilstück 15 ist über eine Spannschraube 19, die in ein Gewinde innerhalb des Injektorkörpers 4 eingreift, gegen einen nicht dargestellten Absatz im Injektorkörper 4 verspannt und wird damit ortsfest gehalten.

Im Niederdruckraum 18 ist ein Magnetanker 10 angeordnet, der mit dem Elektromagneten 5, 6 zusammenwirkt und bei Betätigung des Elektromagneten 5, 6 in Längsrichtung verschoben werden kann. Der Magnetanker 10 weist einen zylindrischen Abschnitt auf und wird auf einem Ventilbolzen 12 geführt, der in dem hohlzylindrischen Abschnitt des Ankerbolzens 10 angeordnet ist. Der Ventilbolzen 12 durchsetzt dabei eine im Magnetkern 5 ausgebildete Bohrung 14 und stützt sich mit seinem dem Ventilstück 15 abgewandten Ende am Ventilgehäuse 3 ab. Der Ventilbolzen 12 ist von einer Ankerfeder 13 umgeben, die sich mit einem Ende am Ventilgehäuse 3 abstützt und mit dem anderen Ende am Magnetanker 10, wobei zwischen der Ankerfeder 13 und dem Magnetanker 10 ein Auflagering 16 angeordnet ist. Die Ankerfeder 13 steht unter Druckvorspannung, sodass der Magnetanker 10 durch die Wirkung der Ankerfeder 13 gegen einen Steuerventilsitz 17 gedrückt wird, der am Ventilstück 15 ausgebildet ist. Der Steuerventilsitz 17 ist dabei ringförmig ausgebildet und umgibt eine im Ventilstück 15 ausgebildete Bohrung, die einen Ventilraum 25 bildet. Der Magnetanker 10 wird darüber hinaus mit seinem zylindrischen Abschnitt in einem zylindrischen Fortsatz 20 des Ventilstücks 15 geführt, wobei im zylindrischen Fortsatz 20 eine oder mehrere Querbohrungen 21 vorhanden sind, über die Kraftstoff aus dem Ventilraum 25 in den Niederdruckraum 18 abfließen kann.

In den Ventilraum 25 mündet eine Ablaufdrossel 27, die ebenfalls im Ventilstück 15 ausgebildet ist und deren anderes Ende in einen Steuerraum 30 mündet. Der Steuerraum 30 wird dabei durch eine Hülse 31 und durch das dem Steuerventil 2 zugewandte Ende einer Düsennadel 35 begrenzt, wobei die Hülse 31 durch die Kraft einer Hülsenfeder 32 gegen das Ventilstück 15 flüssigkeitsdicht verspannt ist. Der Steuerraum 25 kann über eine Hochdruckleitung 47, über die Kraftstoff durch eine Hochdruckpumpe 46 aus einem Kraftstofftank 45 gefördert wird, mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden.

Die Düsennadel 35 ist in einem Düsenkörper 9 aufgenommen, wobei zwischen der Düsennadel 35 und der Wand des Düsenkörpers 9 ein Druckraum 36 verbleibt, der ebenfalls über die Hochdruckleitung 47 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Die Düsennadel 35 wirkt dabei mit ihrer Dichtfläche 37 mit einem Düsenkörpersitz 38 zusammen, der am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 9 ausgebildet ist zum Öffnen und Schließen einer oder mehrerer Einspritzöffnungen 40, die im Düsenkörper 9 ausgebildet sind.

Die Funktionsweise des Kraftstoffinjektors ist wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung ist der Magnetanker 10 durch die Kraft der Ankerfeder 13 gegen den Steuerventilsitz 17 vorgespannt, sodass der Ventilraum 25 gegen den Niederdruckraum 18 abgedichtet ist. Der Steuerraum 30 ist ebenso wie der Ventilraum 25 durch die Verbindung über die Ablaufdrossel 27 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt, ebenso wie der Druckraum 36 im Düsenkörper 9. Soll eine Einspritzung von Kraftstoff geschehen, so wird der Elektromagnet 5, 6 bestromt und zieht den Magnetanker 10 vom Steuerventilsitz 17 weg, sodass eine Öffnung zwischen dem Steuerventilsitz 17 und dem Magnetanker 10 aufgesteuert wird, über die der Ventilraum 25 mit dem Niederdruckraum 18 verbunden wird. Durch diesen jetzt offenen Kraftstoffpfad fließt Kraftstoff aus dem Steuerraum 30 und der Ablaufdrossel 27 ab, sodass sich der Kraftstoff druck im Steuerraum 30 mindert und damit auch die hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 35. Diese hebt daraufhin, angetrieben durch den hydraulischen Druck im Druckraum 36, vom Dü- senkörpersitz 38 ab, sodass Kraftstoff aus dem Druckraum 36 zu den Einspritzöffnungen 40 fließen kann und durch diese ausgespritzt wird. Zur Beendigung der Einspritzung wird die Bestromung der Spule 6 abgeschaltet, sodass die Wirkung des Elektromagneten 5, 6 nachlässt und der Magnetanker 10 durch die Kraft der Ankerfeder 13 zurück in seine Schließstellung gedrückt wird. Schließlich stellen sich die anfänglichen Druckverhältnisse im Steuerraum 30 wieder ein.

In Figur 2 ist das Steuerventil im Bereich des Steuerventilsitzes 17 nochmals vergrößert dargestellt. Im Ventilraum 25 ist ein Drosselelement 50 angeordnet, das als Drosselscheibe ausgebildet ist und mehrere Drosselöffnungen 52 aufweist, durch die Kraftstoff innerhalb des Ventilraums 25 in Richtung des Steuerventilsitzes 17 fließen kann und die hier als Bohrungen ausgebildet sind. Das Drosselelement 50 ist dabei im Durchmesser so ausgebildet, dass es dichtend in den Ventilraum 25 eingesetzt werden kann, sodass Kraftstoff innerhalb des Ventilraums 25 nur durch die Drosselöffnungen 52 in Richtung des Steuerventilsitzes 17 fließen kann. Zur weiteren Veranschaulichung zeigt Figur 3 eine Draufsicht auf das Drosselelement 50, sodass die Anordnung der Drosselöffnungen 52 deutlich wird.

Die Funktionsweise des Drosselelements 50 soll anhand des Verlaufs des Hubs h des Steuerventilelements, also des Magnetankers 10, und des Drucks p im Ventilraum erläutert werden, wie in Figur 4 dargestellt. Die durchgezogene Linie zeigt dabei den Verlauf von Hub h und Druck p bei einem Steuerventil mit einem erfindungsgemäßen Drosselelement 50, während die gestrichelte Linie den Verlauf ohne ein entsprechendes Drosselelement 50 zeigt. Zum Zeitpunkt to wird der Magnetanker 10 vom Steuerventilsitz 17 abgehoben und gibt den Durchflussquerschnitt in Richtung des Niederdruckraums 18 frei. Entsprechend zeigt die Darstellung im oberen Teil der Figur 4 einen Anstieg des Hubs k des Magnetankers 10, bis dieser an seiner Endposition angelangt ist. Die Endposition kann beispielsweise über die Abmessungen des Magnetankers eingestellt werden o- der auch durch eine Scheibe, die zwischen dem Magnetkern 5 und dem Magnet- anker 10 angeordnet ist, deren Dicke den maximale Hub des Magnetankers 10 bestimmt. Entsprechend dem Hub des Magnetankers 10 sinkt der Druck p im Ventilraum 25 ab, wie im unteren Teil der Figur 4 dargestellt. Da der Hub des Magnetankers relativ groß ist, sinkt entsprechend der Druck im Ventilraum 25 stark ab, was zur Folge hat, dass sich Kavitationsblasen innerhalb des Ventilraums 25 bilden können. Dieser Effekt ist bis zu einem gewissen Grade erwünscht, jedoch führt ein zu starkes Absinken des Drucks dazu, dass möglicherweise zu viele Kavitationsblasen gebildet werden und diese langlebig sind und damit die Gefahr besteht, dass diese in der Nähe der begrenzenden Wände des Ventilraums 25 implodieren und damit Materialschäden hervorrufen.

Wird das Steuerventil hingegen mit einem Drosselelement 50 betrieben, so ergibt sich der durch die durchgezogene Linie in Figur 4 gezeigte Verlauf von Hub h und Druck p. Auch hier steigt der Hub des Magnetankers an, jedoch kann hier der Hub des Magnetankers größer eingestellt werden als bei dem Magnetventil ohne ein entsprechendes Drosselelement. Wie im unteren Teil von Figur 4 dargestellt, sinkt der Druck innerhalb des Ventilraums 25 nicht mehr so stark ab, da jetzt die Drosselwirkung der Drosselöffnungen 52 im Drosselelement 50 einsetzt. Oberhalb eines gewissen Maximalhubs des Magnetankers 10 wird die Drosselung des Kraftstoff abflusses im Wesentlichen durch diese Drosselöffnungen 52 bestimmt, sodass der Hub des Magnetankers 10 für den Druck im Ventilraum 25 keine Rolle mehr spielt. Über die Anzahl und die Größe der Drosselöffnungen 52 lässt sich der minimale Druck einstellen, der sich im Ventilraum 25 bildet, wobei in Figur 4 der Druck im Ventilraum 25 gezeigt ist, wie er - in Flussrichtung des Kraftstoffs in Richtung des Niederdruckraums 18 gesehen - vor dem Drosselelement 50 herrscht.

Für die ordnungsgemäße Funktion ist es wichtig, dass das Drosselelement 50 ortsfest innerhalb des Ventilraums 25 gehalten ist und am äußeren Rand dichtend an der Wandung des Ventilraums 25 anliegt, sodass der Kraftstofffluss in Richtung des Niederdruckraums 18 ausschließlich über die Drosselöffnungen 52 geschieht. Ist das Drosselelement 50 als Scheibe ausgebildet, so kann es beispielsweise durch eine Presspassung innerhalb des Ventilraums 25, der als Bohrung im Ventilstück 15 ausgebildet ist, platziert werden. In der Regel wird jedoch das Drosselelement 50 allein durch die Druckverhältnisse in Position gehalten, d. h. durch den höheren Druck im Bereich des Ventilraums 25 unterhalb des Drosselelements 50 gegenüber dem Bereich des Ventilraums 25, der sich auf der anderen Seite des Drosselelements 50 befindet.

Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die Drosselöffnungen 52 nicht als Bohrungen ausgebildet sind, sondern als seitliche Ausnehmungen am Drosselelement 50, wie in Fig. 3b gezeigt. Entsprechend fließt der Kraftstoff ausschließlich durch diese Drosselöffnungen 52', wenn das Drosselelement 50 mit dem übrigen Rand dichtend in den Ventilraum 25 eingepasst ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass statt Bohrungen anders geformte Ausnehmungen die Drosselöffnungen 52' bilden, beispielsweise schlitzförmige Öffnungen, wie in Fig. 3c gezeigt.