DE10039215A1 - Sitzventilanordnung, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Verbrennungsmaschine - Google Patents
Sitzventilanordnung, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer VerbrennungsmaschineInfo
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Abstract
Es wird eine Sitzventilanordnung, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine, vorgeschlagen, mit mindestens einer zwischen einem Zuströmbereich und einem Abströmbereich angeordneten, zu einer Achse (26) zentrischen Ringsitzfläche (46) und einem längs der Achse (26) in und außer Dichteingriff mit einem Dichtbereich (46a) der Ringsitzfläche (46) bewegbaren Sitzelement (30), wobei die Ringsitzfläche (46) bei Betrachtung in einem Axiallängsschnitt schräg geneigt zu der Achse (26) verläuft. Erfindungsgemäß verläuft die Ringsitzfläche (46) bei Betrachtung in dem Axiallängsschnitt auf der Seite des Zuströmbereichs im Anschluß an den Dichtbereich (46a) konvex gekrümmt. Dies erlaubt einen sehr raschen Anstieg des Durchflusses bei Beginn des Abhebens des Sitzelements (30) von der Ringsitzfläche (46) (Figur 2).
Description
Die Erfindung betrifft eine Sitzventilanordnung, insbeson
dere für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Verbrennungs
maschine, mit mindestens einer zwischen einem Zuströmbe
reich und einem Abströmbereich angeordneten, zu einer Achse
zentrischen Ringsitzfläche und einem längs der Achse in und
außer Dichteingriff mit einem Dichtbereich der Ringsitzflä
che bewegbaren Sitzelement, wobei die Ringsitzfläche bei
Betrachtung in einem Axiallängsschnitt schräg geneigt zu
der Achse verläuft.
Insbesondere, aber nicht nur in Kraftstoffeinspritzsystemen
wird regelmäßig eine hohe Dynamik bei Ventilschaltvorgängen
angestrebt. Bei einer aus der Praxis bekannten gattungsge
mäßen Sitzventilanordnung mit Kugelsitzelement verläuft die
Ringsitzfläche bei Betrachtung in einem Axiallängsschnitt
geradlinig schräg zu der Achse und weist am Übergang zum
Zuströmbereich ein Kante auf.
Nachteilig ist jedoch bei dieser bekannten Sitzventilanord
nung, daß beim Abheben des Sitzelements von der Ringsitz
fläche unerwünschte Turbulenzen beim Durchfluß auftreten.
Des weiteren weist die Durchflußrate über den Hub einen
kleinen Gradienten auf, der sich negativ auf die Umschalt
geschwindigkeit der Sitzventilanordnung auswirkt.
Die Erfindung schlägt für eine Sitzventilanordnung der ein
gangs genannten Art vor, daß die Ringsitzfläche bei Be
trachtung in dem Axiallängsschnitt auf der Seite des Zu
strömbereichs im Anschluß an den Dichtbereich konvex ge
krümmt verläuft.
Es hat sich gezeigt, daß durch eine solche konvexe, vor
zugsweise im wesentlichen kreisbogenförmige Krümmung der
Ringsitzfläche ein turbulenzärmerer Durchfluß beim Abheben
des Sitzelements von der Ringsitzfläche erreicht werden
kann. Dies in Verbindung mit dem gegenüber einer im Schnitt
geradlinigen Ringsitzfläche vergößerten Anströmtrichter
zwischen Sitzelement und Ringsitzfläche bewirkt beim Abhe
ben des Sitzelements von der Ringsitzfläche einen rascheren
Anstieg der Durchflußrate und damit ein schnelleres Um
schalten der Sitzventilanordnung in den Öffnungszustand.
Ein besonders turbulenzarmes Strömungsverhalten läßt sich
bei der erfindungsgemäßen Sitzventilanordnung erzielen,
wenn der Übergang von der Ringsitzfläche zum Zuströmbereich
im wesentlichen kantenfrei ist. Gewünschtenfalls kann die
Ringsitzfläche sogar in dem Dichtbereich konvex gekrümmt
verlaufen.
Vorzugsweise ist das Sitzelement als Kugelsitzelement aus
geführt, wenngleich das Erfindungsprinzip grundsätzlich
auch bei Kegelsitzelementen anwendbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
die Sitzventilanordnung Teil eines Injektormoduls mit einer
in einen Zylinderbrennraum des Verbrennungsmotors ragenden
Kraftstoff-Einspritzdüse und einer die Einspritzdüse abhän
gig vom Hydraulikdruck in einer Steuerkammer öffnenden und
schließenden Düsennadel, wobei die Sitzventilanordnung in
einer an die Steuerkammer angeschlossenen, mittels der
Sitzventilanordnung wahlweise sperr- oder freigebbaren
Druckentlastungsstrecke angeordnet ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Ge
genstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeich
nung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sitzventil
anordnung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nach
folgend anhand der Beschreibung näher erläutert. Es stellen
dar
Fig. 1 schematisch eine Doppelsitz-Steuerventilanordnung
in einem Injektormodul eines Kraftstoff-Speichereinspritz
systems,
Fig. 2 eine Vergrößerung des Ausschnitts A der Fig. 1,
Fig. 3 einen qualitativen Verlauf einer Hub-Durchfluß-
Kennlinie eines Einzelsitz-Ventils der Steuerventilanord
nung der Fig. 1, und
Fig. 4 einen qualitativen Verlauf einer Hub-Durchfluß-
Kennlinie der gesamten Steuerventilanordnung.
Eine in Fig. 1 gezeigte und allgemein mit dem Bezugszeichen
10 bezeichnete doppelsitzige Steuerventilanordnung ist in
ein Injektormodul eines Diesel-Speichereinspritzsystems,
welches auch als Common-Rail-Einspritzsystem bekannt ist,
für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor eingebaut. Dieses
Injektormodul weist in an sich bekannter Weise eine in einen
Zylinderbrennraum des Verbrennungsmotors ragende, hier nicht
näher dargestellte Einspritzdüse sowie eine die Einspritzdü
se abhängig vom Druck in einer Steuerkammer 12 öffnende und
schließende, hier nur zu einem kleinen Teil angedeutete Dü
sennadel 14 auf.
In dem Injektormodul ist ein aus einem Hochdruckverteiler
bzw. Rail gespeister Kraftstoffversorgungskanal 16 ausgebil
det, über welchen die Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt
wird. Von dem Kraftstoffversorgungskanal 16 ist ein stets
offener, in der Regel gedrosselter Zulaufkanal 18 abge
zweigt, über welchen Kraftstoff aus dem Kraftstoffversor
gungskanal 16 in die Steuerkammer 12 eingeleitet wird. Ein
mittels der Steuerventilanordnung 10 wahlweise sperr- oder
freigebbarer Entlastungsweg 20 verbindet die Steuerkammer
12 mit einem nicht näher dargestellten Niederdruck-Ent
lastungsraum.
Bei gesperrtem Entlastungsweg 20 stellt sich im stationären
Zustand in der Steuerkammer 12 ein dem Druck im Kraftstoff
versorgungskanal 16 entsprechender Hochdruck ein, der auf
die Düsennadel 14 wirkt und zum Verschließen der Einspritz
düse führt. Wird der Entlastungsweg 20 geöffnet, fließt
Kraftstoff aus der Steuerkammer 12 ab. Der damit einherge
hende Druckabfall in der Steuerkammer 12 bewirkt, daß die
Düsennadel 14 die Einspritzdüse freigibt und Kraftstoff in
den Zylinderbrennraum eingespritzt wird. Zeitpunkt und Dauer
der Einspritzung können dabei vom Fachmann durch geeignete
Ansteuerung der Steuerventilanordnung 10 festgelegt werden.
Zur Betätigung der Steuerventilanordnung 10 dient ein von
einer elektronischen Ventilsteuereinheit 22 des Einspritzsy
stems gesteuerter Ventilsteller 24. Dieser kann als elek
tromagnetischer Ventilsteller ausgeführt sein. Im vorliegen
den Fall einer doppeltschaltenden Steuerventilanordnung 10
wird jedoch ein piezoelektrischer Ventilsteller bevorzugt,
der in an sich bekannter Weise einen aus einer Vielzahl
übereinander gestapelter Piezomaterialschichten gebildeten
Hubkörper aufweisen kann.
Der Ventilsteller 24 wirkt gewünschtenfalls unter Zwischen
schaltung eines nicht näher dargestellten hydraulischen
Hubübersetzers auf einen längs einer Hubachse 26 in dem In
jektormodul verschiebbar geführten Stellstößel 28, der an
seinem Ende ein als Kugelsitzelement ausgebildetes Ventile
lement 30 trägt. Dieses ist in einer Ventilkammer 32 zwi
schen zwei in Richtung der Hubachse 26 gegenüberliegenden
Ventilsitzen 34, 36 hin- und herbeweglich untergebracht und
im Regelfall durch eine nicht gezeigte Ventilfeder in Rich
tung zu einem der Ventilsitze 34, 36 hin vorgespannt einge
baut.
Der Entlastungsweg 20 ist gesperrt, wenn das Kugelsitzele
ment 30 in Dichteingriff entweder mit dem Ventilsitz 34 oder
mit dem Ventilsitz 36 steht. Befindet sich das Kugelsitzele
ment 30 in einer Zwischenposition zwischen den beiden Ven
tilsitzen 34, 36, ist der Entlastungsweg 20 freigegeben.
Zur Bildung des Entlastungswegs 20 mündet im Bereich des
Ventilsitzes 36 ein mit der Steuerkammer 12 verbundener Ab
laufkanal 38 in die Ventilkammer 32. Der Ablaufkanal 38 ent
hält eine Ablaufdrossel 40, welche zur Einstellung und Be
grenzung des Durchflusses des ablaufenden Kraftstoffs dient.
Im Bereich des Ventilsitzes 34 mündet aus der Ventilkammer
32 ein Rücklaufkanal 42, über den der aus der Steuerkammer
12 abgelaufene Kraftstoff zu einem nicht gezeigten Kraft
stoffvorrat zurückfließt.
Um die eingespritzte Kraftstoffmenge exakt dosieren zu kön
nen, ist es wünschenswert, den Entlastungsweg 20 rasch frei
geben und sperren zu können. Hierbei ist zum einen die
Schnelligkeit maßgeblich, mit der der Ventilsteller 24 das
Kugelsitzelement 30 bewegen kann. Zum anderen spielt eine
wesentliche Rolle, wie rasch im Zuge einer Freigabe des Ent
lastungswegs 20 der Kraftstoffdurchfluß durch diesen ansteigen
kann und wie schnell sich demnach der Kraftstoff aus der
Steuerkammer 12 entleeren kann.
Es hat sich gezeigt, daß durch eine geeignete Gestaltung der
Ventilsitze 34, 36 ein im Vergleich zu bisherigen Lösungen
deutlich rascherer Anstieg des Durchflusses bei Freigabe des
Entlastungswegs 20 erzielt werden kann.
Zur Erläuterung der Gestaltung der Ventilsitze 34, 36 wird
nun zusätzlich auf Fig. 2 verwiesen. Darin ist ersicht
lich, daß beide Ventilsitze 34, 36 von je einer in die Kam
merwand der Ventilkammer 32 eingeformten, zur Hubachse 26
zentrischen Ringsitzfläche 44 bzw. 46 gebildet sind.
Bei bisherigen Lösungen verlaufen diese Ringsitzflächen bei
Betrachtung in einem die Hubachse 26 enthaltenden Längs
schnitt geradlinig schräg zur Hubachse 26, wie dies gestri
chelt in Fig. 2 eingezeichnet ist. Dabei ist zwischen der
den Ventilsitz 36 bildenden Ringsitzfläche 46 und der Wand
des Ablaufkanals 38 eine in Fig. 2 gut zu erkennende Über
gangskante 48 gebildet. Auch zwischen der den Ventilsitz 34
bildenden Ringsitzfläche 44 und den zum Inneren der Ventil
kammer 32 hin angrenzenden Bereichen der Kammerwand ist bei
den bisherigen Lösungen eine ähnliche Übergangskante gebil
det.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist jedoch zumindest der
zuströmseitige Bereich der Ringsitzflächen 44, 46 konvex
gekrümmt.
Beim Ventilsitz 36 ist der zuströmseitige Bereich der
Ringsitzfläche 46 derjenige Bereich, der in Richtung zum
Ablaufkanal 38 hin an einen Dichtbereich 46a der Ringsitz
fläche 46 anschließt, in welchem der Dichteingriff zwischen
dem Kugelsitzelement 30 und der Ringsitzfläche 46 stattfin
det. Dieser zuströmseitige Bereich der Ringsitzfläche 46
ist in Fig. 2 mit 46b bezeichnet. Insbesondere geht er
kantenfrei in die Wand des Ablaufkanals 38 über.
Durch diese Gestaltung der Ringsitzfläche 46 kann bei ge
ringem Öffnungshub des Kugelsitzelements 30 eine größere
Durchflußrate des zwischen Ventilsitz 36 und Kugelsitzele
ment 30 abfließenden Kraftstoffs erzielt werden als bei ge
radliniger Gestaltung des zuströmseitigen Ringsitzflächen
bereichs 46b. Dies bedeutet zugleich, daß sich mit zuneh
mendem Öffnungshub ein rascherer Anstieg der Durchflußrate
als bei geradliniger Gestaltung des zuströmseitigen
Ringsitzflächenbereichs 46b einstellt.
Das qualitative Diagramm der Fig. 3 zeigt dieses Verhalten
anschaulich. Dort sind an der Abszisse der Hub h des Kugel
sitzelements 30 bzw. des Ventilstellers 24 und an der Ordi
nate der Volumenstrom Q des abfließenden Kraftstoffs aufge
tragen - ohne Berücksichtigung der Ventilwirkung am anderen
Ventilsitz 34.
Man erkennt, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung eine
Kennlinie K1 (mit durchgezogener Linie gezeichnet) erhalten
wird, die wesentlich steiler bis zu einem durch die Ablauf
drossel 40 bestimmten Maximum ansteigt als eine bei den
bisherigen Lösungen erhaltene, gestrichelte Kennlinie K2.
Die Krümmung des zuströmseitigen Ringsitzflächenbereichs
46b kann kreisbogenförmig, aber auch von einer Kreisform
abweichend sein. Gewünschtenfalls kann sich die konvexe
Krümmung bis in den Dichtbereich 46a der Ringsitzfläche 46
erstrecken.
Der zum Inneren der Ventilkammer 32 hin an den Dichtbereich
46a anschließende abströmseitige Bereich der Ringsitzfläche
46 - hier mit 46c bezeichnet - kann wie bei den bisherigen
Lösungen geradlinig schräg zur Hubachse 26 verlaufen. Die
konvexe Krümmung der Ringsitzfläche 46 kann aber auch bis
in diesen abströmseitigen Ringsitzflächenbereich 46c rei
chen.
Was die den Ventilsitz 34 bildende Ringsitzfläche 44 anbe
langt, so ist dort der zuströmseitige Ringsitzflächenbe
reich derjenige Bereich, der zum Inneren der Ventilkammer
32 hin an den Dichtbereich der Ringsitzfläche 44 an
schließt, in dem der Dichteingriff mit dem Kugelsitzelement
30 stattfindet. Dieser zuströmseitige Bereich der Ringsitz
fläche 44 ist wie bei der Ringsitzfläche 46 konvex ge
krümmt. Es empfiehlt sich wiederum ein kantenfreier Über
gang zu den angrenzenden Bereichen der Kammerwand der Ven
tilkammer 32. Dabei ist es nicht ausgeschlossen, für die
zuströmseitigen Bereiche der Ringsitzflächen 44, 46 vonein
ander abweichende Krümmungsverläufe zu wählen.
Der abströmseitige Bereich der Ringsitzfläche 44 - das ist
der Bereich, der in Richtung zum Rücklaufkanal 42 an den
Dichtbereich der Ringsitzfläche 34 anschließt - kann wiederum
eine geradlinige, gewünschtenfalls aber auch eine
konvex gekrümmte Kontur besitzen.
In das qualitative Diagramm der Fig. 4 ist zusätzlich zu
den bereits in Fig. 3 gezeigten Kennlinien K1 und K2 eine
weitere Kennlinie K3 eingezeichnet, die die Abhängigkeit
der Menge Q des am Ventilsitz 34 vorbeiströmenden Kraft
stoffs vom Hub h des Kugelsitzelements 30 zeigt, und zwar
ohne Berücksichtigung der Ventilwirkung am Ventilsitz 36.
Als Vergleich ist wiederum eine Kennlinie K4 gestrichelt
eingezeichnet, die bei im Schnitt geradliniger Gestaltung
des zuströmseitigen Bereichs der Ringsitzfläche 44 erhalten
wird. Aus der Überlagerung der beiden Kennlinien K1 und K3
ergibt sich eine durch dicke Punkte angedeutete effektive
Durchflußkennlinie K5 für die doppelsitzige Steuerventi
lanordnung 10. Zum Vergleich zeigt eine durch Dreiecke an
gedeutete Kennlinie K6 die Überlagerung der Kennlinien K2
und K4.
Man erkennt anhand der Kennlinie K5, daß bei der erfin
dungsgemäßen Lösung der stabile Bereich, welcher durch eine
Hubspanne S1 angedeutet ist, in dem die abfließende Kraft
stoffmenge unabhängig von der Hubposition des Kugelsitzele
ments 30 annähernd konstant ist, deutlich größer ist als
der stabile Bereich bei den bisherigen Lösungen, welches
durch eine Hubspanne S2 angedeutet ist. Zudem fließt bei
der erfindungsgemäßen Lösung im stabilen Bereich ein größe
rer Volumenstrom als bei den bisherigen Lösungen.
Im Teilhubbereich, also bei vergleichsweise geringem Abhe
ben des Kugelsitzelements 30 vom Ventilsitz 34 bzw. 36,
steigt außerdem bei der erfindungsgemäßen Lösung der Durch
fluß sehr rasch bis nahe seines Maximums an, so daß sich
insgesamt sehr schnelle Reaktionszeiten des Einspritzsy
stems erzielen lassen und unvermeidbare Fertigungstoleran
zen der einzelnen Bauteile der Steuerventilanordnung sich
nur wenig auswirken.
Insbesondere bei dem Ventilsitz 34 kann die Wahl des kon
kreten Krümmungsverlaufs der Ringsitzfläche 44 zudem davon
abhängig gemacht werden, daß zu Beginn des Abhebens des Ku
gelsitzelements 30 vom Ventilsitz 34 der hydraulisch wirk
same Sitzdurchmesser im wesentlichen unverändert und im we
sentlichen gleich dem am Dichtbereich der Ringsitzfläche 44
gemessenen geometrischen Sitzdurchmesser bleiben soll, um
eine hubabhängige Zunahme der vom Ventilsteller 24 aufzu
bringenden Hubkraft zu vermeiden.
Claims (6)
1. Sitzventilanordnung, insbesondere für ein Kraftstoffein
spritzsystem einer Verbrennungsmaschine, mit mindestens
einer zwischen einem Zuströmbereich und einem Abströmbe
reich angeordneten, zu einer Achse (26) zentrischen
Ringsitzfläche (44, 46) und einem längs der Achse (26)
in und außer Dichteingriff mit einem Dichtbereich (46a)
der Ringsitzfläche (44, 46) bewegbaren Sitzelement (30),
wobei die Ringsitzfläche (44, 46) bei Betrachtung in ei
nem Axiallängsschnitt schräg geneigt zu der Achse (26)
verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsitzfläche
(44, 46) bei Betrachtung in dem Axiallängsschnitt auf
der Seite des Zuströmbereichs im Anschluß an den Dicht
bereich (46a) konvex gekrümmt verläuft.
2. Sitzventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Übergang von der Ringsitzfläche (44,
46) zum Zuströmbereich im wesentlichen kantenfrei ist.
3. Sitzventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ringsitzfläche (44, 46) auf der
Seite des Zuströmbereichs im Anschluß an den Dichtbe
reich (46a) im wesentlichen kreisbogenförmig konvex ver
läuft.
4. Sitzventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsitzfläche (44, 46)
auch in dem Dichtbereich (46a) konvex gekrümmt verläuft.
5. Sitzventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sitzelement (30) als Ku
gelsitzelement ausgeführt ist.
6. Sitzventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzventilanordnung Teil
eines Injektormoduls mit einer in einen Zylinderbrenn
raum des Verbrennungsmotors ragenden Kraftstoff-
Einspritzdüse und einer die Einspritzdüse abhängig vom
Hydraulikdruck in einer Steuerkammer (12) öffnenden und
schließenden Düsennadel (14) ist, wobei die Sitzventi
lanordnung in einer an die Steuerkammer (12) angeschlos
senen, mittels der Sitzventilanordnung wahlweise sperr-
oder freigebbaren Druckentlastungsstrecke (20) angeord
net ist.
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WO (1) | WO2002014682A1 (de) |
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