Beschreibung

Titel

KRAFTSTOFFINJEKTOR MIT MAGNETVENTIL MIT KUGELSITZ

Stand der Technik

Ein Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Einspritzventilglied über ein magnetbetriebenes Steuerventil angesteuert wird, ist aus EP-A 1 612 403 bekannt. Mit Hilfe des Steuerventils ist eine Ablauf- drossel aus einem Steuerraum in den Kraftstoffrücklauf verschließbar oder freigebbar. Der Steuerraum wird an einer Seite durch einen Steuerkolben begrenzt, mit welchem ein Einspritzventilglied angesteuert wird, welches mindestens eine Einspritzöffnung in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine freigibt oder diese verschließt. Die Ablaufdrossel ist in einem Körper aufgenommen, welcher auf der dem Steuerraum abgewandten Seite mit einem sich verjüngenden Ventilsitz versehen ist. In diesen Ventilsitz ist ein Schließelement stellbar, welches mit dem Anker des Magnetventils verbunden ist. Hierzu ist am Schließelement eine Kante ausgebildet, welche gegen den konisch ausgeformten Sitz gestellt wird. Das Schließelement bewegt sich auf einer axialen Stange, welche mit dem Körper, in dem die Ablaufdrossel ausgebildet ist, einstückig verbunden ist. Damit das Ventil flüssigkeits- dicht schließt, ist es notwendig, hochpräzise Oberflächen herzustellen und eine hochgenaue Passung des Schließelementes auf der axialen Stange vorzusehen, um zu vermeiden, dass das Schließelement taumelt und hierdurch verkanten kann, wodurch der Sitz nicht vollständig geschlossen wird.

Bei z. B. an Hochdruckspeichereinspritzsystemen (Common-Rail) eingesetzten Kraftstoffinjektoren können z. B. hubgesteuerte Injektoren eingesetzt werden, die mittels eines Magnetventils zur Steuerung des Druckes in einem Steuerraum betrieben werden. Das bevorzugt nadeiförmig ausgebildete Einspritzventilglied wird z. B. über einen Servosteuerraum gesteuert. Das Magnetventil ist in der Regel nicht druckausgeglichen und benötigt daher hohe Federkräfte, hohe Magnetschaltkräfte und einen aufgrund der Dimensionierung von Feder und Magneten großen Bauraum. Von Nachteil bei derartigen Magnetventilen ist der Umstand, dass starke Einschränkungen hinsichtlich der Abfolge von Mehrfacheinspritzun-

gen bestehen, so dass sehr kurz aufeinander folgende Einspritzabstände nicht realisiert werden können.

Druckausgeglichene Magnetventile erfordern in der Regel wesentlich kleinere Federkräfte, demzufolge kleinere Magnetkräfte, um ein öffnen zu bewirken, sowie kleinere Ventilhübe und erlauben somit schnellere Schaltzeiten. Mittels dieser Bauart von Magnetventilen lässt sich eine Mehrfacheinspritzfähigkeit verbessern. Allerdings benötigen diese druckausgeglichen ausgestalteten Ventile eine hochdruckdichte Führung sowie eine linienförmig verlaufende Dichtkante, die dem Führungsdurchmesser des Ventilgliedes entsprechen, was die Druckausgeglichenheit des Magnetventiles erst ermöglicht.

Kritisch ist bei den druckausgeglichenen Magnetventilen jedoch der Umstand, dass sich im Laufe von deren Betriebszeit ein Verschleiß an einer Dichtkante einstellt, da die mechanische Belastung einer linienförmig verlaufenden Sitzkante beim Schließen des bevorzugt na- delförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes sehr groß ist. Des Weiteren wird der Verschleiß dadurch unterstützt, dass Verunreinigungen in verstärktem Maße direkt an die Sitzkante gelangen. Dies führt über die Betriebszeit des Magnetventils gesehen zu Verschleiß, der die Funktion eines derartig ausgebildeten Magnetventiles nicht unerheblich beeinträchtigt.

Offenbarung der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ein druckausgeglichenes Magnetventil vorgeschlagen, wobei das bevorzugt nadeiförmig ausgebildete Ventilglied einen gegenüber sich einstel- lendem mechanischen Verschleiß durch Materialabtrag oder Deformation robusten Kugelsitz ausgebildeten Sitz aufweist. Als Ventilsitz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Magnetventils mit Kugelsitz ist an der Ventildichtstelle, d. h. dem Sitz des Ventilgliedes, ein Kugelsitz ausgebildet. Der Kugelsitz lässt sich z. B. durch eine halbkugelförmige Konfiguration des dem Sitz des Ventilgliedes zuweisenden Ende des Ventilgliedes darstellen. Das z. B. halbkugelförmig ausgebildete Ende des Ventilgliedes kann mit einem trichterförmig, so z. B. als Kegelsitz, ausgebildeten Sitz in einem Ventilstück zusammenwirken. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, anstelle der Kegelfläche im Ventilstück, diese Kegelfläche am Ende des Ventilgliedes auszubilden und den am Ventilstück ausgebildeten, mit dem Ventilglied zusammenwirkenden Sitz halbkugelförmig auszubilden. Beide Gestaltungen eines Ku- gelsitzes sind möglich.

Bevorzugt ist das nadeiförmig ausgebildete Ventilglied mit einem innenliegenden in einem Aktorgehäuse lose gelagerten Druckstift geführt, wodurch sich ein Druckausgleich erzielen lässt.

Wird das Magnetventil mit einem Kugelsitz versehen, so kann z. B. ein Ausgleich von Parallelitätsfehlern zwischen dem bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Ventilglied und einem Sitzkörper, d. h. z. B. dem Ventilstück, folgen, so dass dadurch günstige mehrteilige Ventilaufbauvarianten realisiert werden können.

Eine weitere Verbesserung wird durch die Verbindung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kugelsitzes mit einer kleinen, in Schließrichtung wirksamen Druckstufe erreicht. Durch die in Schließrichtung wirksame Druckstufe wird eine hydraulische auf das Ventilglied wirkende Schließkraft erzeugt, wodurch ein Prellen beim Ventilschließen verringert wird, was wiederum günstige Auswirkungen auf den sich einstellenden Verschleiß hat, da beim Prellen mechanische Spitzenbelastungen auftreten. Das Dämpfungsverhalten beim Schließen des Magnetventils wird durch die in Schließrichtung wirksame Druckstufe verbessert, da sich im geschlossenen Zustand des Sitzes des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Ventilgliedes eine hydraulische Schließkraft aufbaut, die ein Wiederöffnen des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Ventilglieds verhindert. Dies erlaubt einerseits eine optimierte Ventilabstim- mung und verbessert andererseits die Mehrfacheinspritzfähigkeit des Kraftstoffinjektors, der mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen, einen Kugelsitz aufweisenden Magnetventil betätigt wird.

Darüber hinaus kann im Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors ein Dämpfungsraum vor- gesehen sein, wodurch sich einerseits die Geschwindigkeit, mit der sich das bevorzugt na- delförmig ausgebildete Ventilglied bewegt, und andererseits die durch dieses verursachten Prelleigenschaften und Prellbeanspruchungen hinsichtlich der mechanischen Bauteile vorteilhaft optimieren lassen. Werden das bevorzugt nadeiförmig ausgebildete Einspritzventilglied und ein durch die Magnetspule des Magnetventiles angezogener Anker einteilig aus- gebildet, lässt sich eine kleine bewegte Masse erreichen, und bei optimiertem Dämpfungsverhalten lassen sich demzufolge kurze Abstände einzelner Einspritzvorgänge realisieren, was die Mehrfacheinspritzungsfähigkeit günstig beeinflusst.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene druckausgeglichene Magnetventil mit Kugelsitz lässt sich zur Steuerung von Einspritzsystemen einsetzen, insbesondere in vorteilhafter Weise als Steuerventil für einen servogesteuerten Kraftstoffinjektor, der mittels eines Magnetventils betätigt wird.

In besonders vorteilhafter Weise kann der Kugelsitz direkt im Ventilstück ausgebildet werden, in welchem sich ein Steuerraum, insbesondere ein Servosteuerraum, befindet, und welches einen Druckraum innerhalb des Injektorkörpers des Kraftstoffinjektors verschließt. Dies erlaubt einen einfachen und kostengünstigen Aufbau eines insbesondere für Hoch- druckspeichereinspritzsysteme (Common-Rail) geeigneten Kraftstoffinjektors.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben. Die einzi- ge Figur zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor, welcher mittels eines Magnetventils betätigt wird, der einen Kugelsitz umfasst.

Ausführungsformen

Aus der Zeichnung geht hervor, dass ein Kraftstoffinjektor 10 über einen Druckspeicher 12, in welchem ein Systemdruck p _sys herrscht, mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt ist. Der Systemdruck p _sys im Druckspeicher 12 wird durch ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Hochdruckförderaggregat, wie z. B. eine Hochdruckpumpe, erzeugt und gelangt vom Druckspeicher 12 über eine Hochdruckleitung 14 zum Kraftstoffinjektor 10. Die Hochdruckleitung 14 mündet innerhalb eines Injektorgehäuses 16 und beaufschlagt einen mit Bezugszeichen 34 bezeichneten Druckraum mit unter Systemdruck p _sys stehendem Systemdruck.

Der Kraftstoffinjektor 10 gemäß der Zeichnung umfasst neben dem Injektorgehäuse 16 des Weiteren einen hier nur angedeuteten Düsenkörper 18 sowie ein Aktorgehäuse 20, in welchem ein als Magnetventil 22 ausgebildeter Aktor untergebracht ist. Das Aktorgehäuse 20 ist über einen Gehäusedeckel 24 verschlossen. In der Zeichnung ist der Gehäusedeckel 24 mit einem Außengewinde versehen und lässt sich in ein korrespondierend ausgebildetes Innengewinde des Aktorgehäuses 20 einschrauben. Innerhalb des Aktorgehäuses 20 sind ein Magnetkern 26, eine von diesem umschlossene Magnetspule 28, eine den Magnetkern 26 abstützende Stützhülse 30 aufgenommen sowie ein Teil eines Ventilstückes 32. Das teilweise im Aktorgehäuse 20 aufgenommene Ventilstück 32 begrenzt den eingangs erwähnten Druckraum 34, in welchen die vom Druckspeicher 12 ausgehende Hochdruckleitung 14 mündet.

Im Ventilstück 32 ist ein Steuerraum 36 ausgebildet, der über eine Zulaufdrossel 38 vom unter Systemdruck p _sys stehenden Druckraum 34 mit Kraftstoff befüllt wird. Der Steuerraum 36 - in der Zeichnung als Servosteuerraum ausgebildet - ist über eine Ablaufdrossel 40 dru-

ckentlastbar. Die Ablaufdrossel 40 ist ebenfalls im Ventilstück 32 ausgebildet und mündet in einen mit Bezugszeichen 84 identifizierten Ventilraum.

Der über die Zulaufdrossel 38 im Steuerraum 36 anstehende Systemdruck p _sys beaufschlagt eine Stirnseite 44 eines bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilglieds 42. Das Einspritzventilglied 42 umfasst eine Stützscheibe 46, an der sich eine Schließfeder 48 abstützt. Das der Stützscheibe 46 gegenüberliegende Ende der Schließfeder 48 stützt sich am Ventilstück 32 ab.

Vom mit Systemdruck p _sys beaufschlagten Druckraum 34 erstreckt sich ein Ringraum 52 durch das Injektorgehäuse 16. über den Ringraum 52 strömt unter Systemdruck p _sys stehender Kraftstoff einem mit Bezugszeichen 50 bezeichneten Düsenraum zu, der innerhalb des Düsenkörpers 18 ausgebildet ist. Vom Ringraum 52 gelangt der unter Systemdruck p _sys stehende Kraftstoff über mindestens eine Drosselstelle 56, die z. B. als mindestens ein An- schliff am Umfang des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 42 ausgebildet sein kann, in den Düsenraum 50.

Das Einspritzventilglied 42 umfasst in dem Bereich, in dem es im Düsenkörper 18 vom Düsenraum 50 umschlossen ist, eine Druckstufe 54.

Vom Düsenraum 50 strömt der unter Systemdruck p _sys stehende Kraftstoff über einen Ringspalt einem Sitz 58 des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 42 zu. In der Darstellung gemäß der Zeichnung sind Einspritzöffnungen 60 am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 durch das in seinen Sitz 58 gestellte, bevorzugt nadeiförmig ausgebildete Einspritzventilglied 42 verschlossen.

Am Umfang des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilglieds 42 befindet sich mindestens eine, bevorzugt als Anschliff ausgebildete Drosselstelle 56. über diese mindestens eine Drosselstelle 56 sind der unter Systemdruck p _sys stehende Ringraum 52 und der Düsenraum 50 hydraulisch miteinander verbunden.

Das im Aktorgehäuse 20 untergebrachte Magnetventil 22 umfasst eine Ventilfeder 70, die einen Druckstift 66 umschließt. Die Ventilfeder 70 stützt sich an der Unterseite des Gehäusedeckels 24 ab. Bevorzugt ist der Druckstift 66 lose im Aktorgehäuse 20 aufgenommen. Die Ventilfeder 70 beaufschlagt eine obere Stirnseite eines als Ventilnadel ausgebildeten Ventilglieds 62. An diesem ist eine Ankerplatte 64 ausgebildet, die der Magnetspule 28 des Magnetventils 22 gegenüberliegend angeordnet ist. Der Druckstift 66 ist in einem Durchmesser ausgebildet, der einen Führungsdurchmesser 68 für das Ventilglied 62 darstellt. Eine

untere Stirnseite des Druckstiftes 66 begrenzt mit dem bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Ventilglied 62 einen Druckausgleichsraum 78. Der vom Druckstift 66 und vom Ventilglied 62 begrenzte Druckausgleichsraum 78 steht über eine Strömungsverbindung 74 mit einem Ventilraum 84 in Verbindung. Gemäß der in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffϊnjektors 10 wird der Ventilraum 84 durch eine Kegelfläche 82 im Ventilstück 32 einerseits und andererseits durch eine kugelförmige Fläche 86 am unteren Ende des Ventilglieds 62 begrenzt. In der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ist die kugelförmige Fläche 86, welche den Kugelsitz darstellt, am Ventilglied 62 ausgeführt. Durch die den Kugelsitz darstellende, kugelförmige Fläche 86 an dem dem Ventilstück 32 zuweisenden Ende des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Ventilglieds 62 kann in vorteilhafter Weise ein Ausgleich von Parallelitätsfehlern zwischen dem Ventilglied 62 und dem den Sitzkörper darstellenden Ventilstück 32 erreicht werden. Zudem lassen sich durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung günstige, mehrteilige Ventilaufbauten realisieren.

In Umkehr des in der Zeichnung dargestellten Kugelsitzes, gebildet durch die am Ventilglied 62 ausgebildete Kugelfiäche 86 und die im Ventilstück 32 vorgesehene Kegelfläche 82, kann die Kegelfiäche 82 auch am Ventilglied 62 ausgebildet werden und die kugelförmige Fläche 86 am Ventilstück 32 ausgeführt sein. Ferner ist es möglich, sowohl am Ventilglied 62 als auch am Ventilstück 32 jeweils kugelförmige Geometrien zu verwirklichen.

Aufgrund des Umstandes, dass der Führungsdurchmesser 68 im Wesentlichen dem Durchmesser des durch die kugelförmige Fläche 86 gebildeten Kugelsitzes entspricht, wirkt die Druckausgeglichenheit des Magnetventils 22. Es lässt sich bei der erfindungsgemäß vorge- schlagenen Ventilbauform ein durch Ausbildung einer kugelförmigen Fläche 86 realisierter Kugelsitz im Zusammenwirken mit einer Kegelfiäche 82 verwirklichen, da der Druckstift 66 unabhängig vom Ventilsitz 80 von der Gegenseite des Sitzbereiches aus montiert werden kann. Durch Bezugszeichen 74 ist eine Strömungsverbindung kenntlich gemacht, die den Druckausgleichs- oder Dämpfungsraum 78 mit dem Ventilraum 84 verbindet.

Eine Ausführungsform des in der Zeichnung dargestellten Kraftstoffinjektors ist dadurch gegeben, dass am Druckstift 66, an dem das bevorzugt nadeiförmig ausgebildete Ventilglied 62 geführt ist, eine in Schließrichtung wirksame Druckstufe erzeugt wird. Die in Schließrichtung des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Ventilglieds 62 wirksame Druckstufe kann durch eine Vergrößerung des Führungsdurchmessers 68 des lose im Aktorgehäuse 20 aufgenommenen Druckstiftes 66 in Bezug auf den Durchmesser des durch die kugelförmige Fläche 86 gegebenen Kugelsitzes erreicht werden. Durch die in Schließrichtung wirksame Druckstufe wird eine hydraulische Ventilschließkraft erzeugt, wodurch ein Prellen des

Magnetventils beim Schließen des Ventilgliedes 62 verringert wird. Das Dämpfungsverhalten beim Schließen des Ventilgliedes 62 kann durch die in Schließrichtung wirksame Druckstufe, gegeben durch die Vergrößerung des Führungsdurchmessers 68 in Bezug auf den Durchmesser des durch die kugelförmige Fläche 86 gegebenen Kugelsitzes, verbessert wer- den, da sich im geschlossenen Zustand des Kugelsitzes eine hydraulische Schließkraft aufbaut, die ein Wiederöffnen des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Ventilgliedes 62 verhindert. Dies wiederum erlaubt eine optimierte Ventilabstimmung und eine Verbesserung der Mehrfacheinspritzfähigkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors 10.

Durch den Druckausgleichs- oder Dämpfungsraum 78, der über die Strömungsverbindung 74 mit dem Ventilraum 84 in Verbindung steht, können die Geschwindigkeit, mit der das Ventilglied 62 öffnet, optimiert werden und die Prelleigenschaften verbessert werden. Werden das bevorzugt nadeiförmig ausgebildete Einspritzventilglied 62 und die Ankerplatte 64 als ein Bauteil ausgelegt, so stellt sich eine kleine zu bewegende Masse ein, was durch eine Dämpferdrossel 76, die in der Strömungsverbindung 74 angeordnet ist, zu einem optimierten Dämpfungsverhalten führt, wodurch sehr kurze Abstände bei einzelnen kurz hintereinander folgenden Kraftstoffeinspritzungen über die Einspritzöffnungen 30 ermöglicht werden.

In vorteilhafter Weise ist der durch die kugelförmige Fläche 86 realisierte Kugelsitz direkt an dem Ventilstück 32 ausgebildet, das den als Servosteuerraum dienenden Steuerraum 36 begrenzt und von dem unter Systemdruck p _sys stehenden Druckraum 34 im Injektorgehäuse 16 trennt. Das Ventilstück 32 ist über die Stützhülse 30, den sich darauf abstützenden Mag- netkern 26 und den Gehäusedeckel 24, mit dem das Aktorgehäuse 20 verschlossen wird, dichtend an den Injektorkörper 16 angestellt.

Die bei Bestromung des Magnetventils 22 erfolgende, in vertikale Richtung nach oben gerichtete öffnungsbewegung des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Ventilgliedes 62 be- wirkt eine Druckentlastung des Steuerraums 36. Die beim öffnen des durch die kugelförmige Fläche 86 gegebenen Kugelsitzes aus dem Steuerraum 36 abströmende Steuermenge strömt in das Aktorgehäuse 20 ein und wird über einen niederdruckseitigen Rücklauf 72 in den Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems abgeleitet. Bei der Druckentlastung des bevorzugt als Servosteuerraum dienenden Steuerraums 36 des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform erfolgt ein Einfahren der Stirnfläche 44 des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilglieds 42 in den Steuerraum 36. Dadurch strömt über den geöffneten Sitz 58 des Einspritzventilglieds 42 über die mindestens

eine am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffϊnjektors 10 ausgebildete öffnung 60 unter Systemdruck p _sys stehender Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine.

Das öffnungsverhalten des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 42 lässt sich über die an dessen Umfang ausgebildete, mindestens eine bevorzugt als Anschliff ausgebildete Drosselstelle 56 optimieren. Die mindestens eine am Umfang des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilglieds 42 ausgebildete Drosselstelle 56 stellt eine hydraulische Verbindung mit dem unter Systemdruck p _sys stehenden Ringraum 52 im Injektorkörper 16 mit dem Düsenraum 50, der im Düsenkörper 18 des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildet ist, dar.

Bevorzugt wird das druckausgeglichene Magnetventil 22 in Einspritzsystemen zum Einspritzen von Kraftstoff eingesetzt, insbesondere in vorteilhafter Weise als Steuerventil für einen servogesteuerten Kraftstoffinjektor mit einem Magnetventil 22, der bei Hochdruck- speichereinspritzsystemen (Common-Rail) einsetzbar ist.