DE10061246A1

DE10061246A1 - Hubgesteuertes Ventil als Kraftstoffzumesseinrichtung eines Einspritzsystems für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10061246A1
Application number: DE2000161246
Authority: DE
Inventors: Andreas Dutt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-12-09
Filing date: 2000-12-09
Publication date: 2002-06-20
Also published as: WO2002046603A2; WO2002046603A3

Abstract

Ein hubgesteuertes Ventil als Kraftstoff-Zumesseinrichtung eines Einspritzsystems für Brennkraftmaschinen besitzt eine in einem Ventilkörper (10, 10a) gegen Federwiderstand (30) betätigbare abgestufte Ventilnadel (1), eine mit einer Hochdruckversorgung (14) verbundene erste Druckkammer (13), eine zweite Druckkammer (15), die einen zu einer zugeordneten Einspritzdüse führenden Anschluss (16, 16a) besitzt, und einen drucklosen Kraftstoff-Rücklauf (17). DOLLAR A Eine wesentliche Besonderheit dieses hubgesteuerten Ventils besteht darin, dass an der Ventilnadel (11) zwei axial beabstandete Ventil-Druckkanten (18, 27) ausgebildet sind, die mit je einem Ventilsitz (20 bzw. 29) - hierbei ein erstes Ventil (18, 20) und ein zweites Ventil (27, 29) bildend - zusammenwirken, derart, dass durch das Ventil (27, 29) die beiden Druckkammern (13, 15) verbunden sind und das erste Ventil (18, 20) die zweite Druckkammer (15) mit dem drucklosen Kraftstoff-Rücklauf (17) verbindet, und dass der axiale Abstand der beiden Ventilsitze (20, 29) größer als der axiale Abstand der beiden Ventil-Dichtkanten (18, 27) ist, derart, dass (nur) während der Hubdauer der Ventilnadel (11) erstes (18, 20) und zweites Ventil (27, 29) gleichzeitig geöffnet sind.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf ein hubgesteuertes Ventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Speziell betrifft die Erfindung ein Diesel-Speichereinspritzsystem, sog. Common Rail Einspritzsystem (CR). Zum diesbezüglichen Stand der Technik wird die Druck schrift "Diesel-Speichereinspritzsystem Common Rail, technische Unterrrichtung Bosch Nr. 1987722054; KH/VDT-0997-DE" genannt. Derartige Common Rail Dieseleinspritzsysteme nach dem bisherigen Stand der Technik arbeiten mit druckgesteuerten Injektoren. Die Kraftstoffzumessgenauigkeit dieser Systeme ist stark abhängig von der Güte der Druckansteuerung. Ein weiterer sicherheitsrele vanter Nachteil dieser Systeme ist darin zu sehen, dass an der Einspritzdüse ständig Hochdruck ansteht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventil der in Rede stehenden Art zu schaffen, das in beiden Schaltzuständen, also im geöffneten wie auch im ge schlossenen Zustand, hochdruckausgeglichen dichtend, schnell schaltend und leckagearm arbeitet.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Ventil der eingangs bezeichneten Gattung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem vorgeschlagenen Ventil handelt es sich also um ein drei Anschlüsse und zwei Sitze aufweisendes Ventil, ein sogenanntes 3/2-Ventil, mit dem die Einspritz düse zur Kraftstoffeinspritzung gezielt mit Hochdruck aus dem Common Rail beauf schlagt werden kann. Nach der Einspritzung ist die Einspritzdüse durcklos mit dem Rücklauf verbunden. Dadurch können Druckwellenreflexionen an der Einspritzdüse zu einer Druckerhöhung während der Einspritzung des Kraftstoffes genutzt werden.

Die Ansteuerung des erfindungsgemäßen 3/2-Ventils kann sowohl über einen Hubmagneten als auch durch einen Piezoteller erfolgen.

Die Erfindung ermöglicht eine kompakte Bauweise des Ventils, die wiederum sicherstellt, dass das erfindungsgemäße Ventil sowohl an das Common Rail als auch in einen Düsenhalter eingebaut werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung enthalten die Patentansprüche 2-10.

Zusammengefasst zeichnet sich das erfindungsgemäße 3/2-Ventil durch folgende Vorteile aus:

- hohe Eigensicherheit durch zwei Ventil-Dichtkanten an einer einteiligen Ventilnadel
- hohe Eigensicherheit, da ein undichter Ventilsitz keinen Druckanstieg an der Einspritzdüse verursacht
- infolge einer doppeltgeführten Ventilnadel wenig bewegte Masse
- ein zweites (Kegel-)Ventil zwischen Common Rail und Einspritzdüse,
- ein erstes (Kegel-)Ventil zwischen Einspritzdüse und Rücklauf angeordnet
- Ventilnadelhub ist durch Dichtsitzabstand bestimmt
- ein durch Flächenanschliffe oder Ringspalt angedrosselter Rücklauf oder ein Ventilsitzquerschnitt des ersten (Kegel-) Ventils, welcher im Vergleich zu dem Ventilsitzquerschnitt des zweiten (Kegel-)Ventils verkleinert sein kann, verringert die Leckage aus dem Common Rail in den Rücklauf während des Schaltvorganges
- nur drei Bauteile und kleine Oberflächen sind mit Hochdruck beaufschlagt
- geringe Leckage durch wenig hochdruckbeaufschlagte Spalte
- im unbetätigten Zustand ist die Verbindung Common Rail zu Einspritzdüse unterbrochen
- einfache Montierbarkeit mittels Führungsbuchse
- kompakte Bauweise erlaubt den Einsatz in einem Düsenhalter

Zeichnung

Zur Veranschaulichung der Erfindung dienen Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung dargestellt und im folgenden detailliert beschrieben sind. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines 3/2-Ventils, im vertikalen Längsschnitt und in Teildarstellung,

Fig. 2 eine gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 etwas abgwandelte Variante eines 3/2-Ventils, im vertikalen Längsschnitt entsprechend Fig. 1, jedoch in gegenüber Fig. 1 verkleinerter Gesamtdarstellung,

Fig. 3 die Einzelheit "A" aus Fig. 1, in gegenüber Fig. 1 vergrößerter (Teil-)Darstellung, und

Fig. 4 die Einzelheit "B" aus Fig. 1, in gegenüber Fig. 1 vergrößerter (Teil-)Darstellung.

In Fig. 1, teilweise auch in Fig. 2, 3 und 4, bezeichnet 10 einen Ventilkörper und 11 eine Ventilnadel, die in einer als Ventilnadelführung dienenden Bohrung 12 im Ventilkörper 10 axial beweglich geführt ist. Ein in eine die Ventilnadel 11 ringförmig umgebende erste Druckkammer 13 mündender Kanal 14 im Ventil körper 10 dient der Hochdruck-Versorgung des 3/2-Ventils, herkommend vom Common Rail. Unterhalb der ersten Druckkammer 13 liegt eine in ähnlicher Weise ringförmig ausgebildete zweite Druckkammer 15, von der ein zur (nicht gezeigten) Einspritzdüse führender Kanal 16 seinen Ausgang nimmt. Ein dritter Anschluss des aus Fig. 1 ersichtlichen Ventils ist mit 17 beziffert. Es handelt sich hierbei um den (drucklosen) Kraftstoffrücklauf.

Die Ventilnadel 11 weist bei 18 eine Dichtkante auf, die durch eine konische Durchmesserverringerung 19 der Ventilnadel 11 erzeugt wird. Die Ventildichtkante 18 wirkt mit einem ebenfalls konisch ausgebildeten Ventilsitz 20 zusammen und bildet mit diesem ein erstes (Kegel-)Ventil. Der Ventilsitz 20 ist an der oberen Stirnfläche einer insgesamt mit 21 bezeichneten Führungsbuchse ausgebildet, die einen abgestuften Durchmesser besitzt und in einer entsprechend abgestuften Bohrung 22 des Ventilkörpers 10 nahezu spielfrei angeordnet ist. Am Übergang des größeren in den kleineren Durchmesser bildet die Führungsbuchse 21 einen Absatz 23, mit dem sie an einer Anschlagfläche 24 des Ventilkörpers 10 zur Anlage kommt. In dieser Position wird die Führungsbuchse 21 durch einen in einer Aus drehung 25 des Ventilkörpers 10 angeordneten Keilring 26 gehalten.

Oberhalb des ersten (Kegel)Ventils 18, 20 ist an dem Ventilkörper 10 eine weitere Dichtkante 27 ausgebildet, die wiederum durch eine konische Durchmesserver ringerung 28 an dem Ventilkörper 10 zustande kommt und mit einem oberhalb der zweiten Druckkammer 15 an der Ventilnadel 11 ausgebildeten konischen Ventilsitz 29 zusammenwirkt. Die beiden Druckkammern 13 und 15 sind somit durch dieses zweite (Kegel-)Ventil 27, 29 miteinander verbunden bzw. - bei der in Fig. 1 dargestellten Schließstellung des zweiten (Kegel-)Ventils 27, 29 - vonein ander getrennt. Der Schließzustand des zweiten (Kegel-)Ventils 27, 29 wird durch eine Druckfeder 30 bewirkt, welche die. (einteilige) Ventilnadel 11 über eine Scheibe axial in Pfeilrichtung 32 beaufschlagt. Rückseitig stützt sich hierbei die Druckfeder über eine Anschlagplatte 33 am Ventilkörper 10 ab.

Voraussetzung für die geschilderte Wirkung der Druckfeder 30 und die daraus resultierende Ventilstellung ist jedoch ein unbetätigter, also nicht kraftbeauf schlagter Zustand der Ventilnadel 11 an ihrem oberen Ende bei 34. Die Betätigung der Ventilnadel 11 - in Pfeilrichtung 35, also entgegen der Wirkung der Druckfeder 30 - kann durch einen Druckmagneten (wie beispielsweise bei der Ausführungsform nach Fig. 2 und dort mit 46 beziffert; s. die Ausführungen weiter unten) oder durch einen Piezoteller erfolgen.

Im betätigten kraftbeaufschlagten Zustand (Kraftbeaufschlagung in Pfeilrichtung 35) wird die Ventilnadel 11 mit ihrer Dichtkante 18 in den Ventilsitz 20 gedrückt und schließt die drucklose Verbindung zwischen Einspritzdüse (Kanal 16) und Rücklauf 17 und öffnet gleichzeitig zur Kraftstoffeinspritzung die Verbindung zwischen Common Rail (Druckkanal 14) und Einspritzdüse (Kanal 16).

Während des Schaltvorganges, also der Hubdauer der Ventilnadel 11, sind beide (Kegel-)Ventile 18, 20 und 27, 29 geöffnet. Dadurch kann Kraftstoff direkt aus dem unter Hochdruck stehenden Common Rail (Druckkanal 14) in den Rücklauf 17 abfließen. Um die Leckage während des Schaltvorganges gering zu halten, ist der Rücklauf 17 in Strömungsrichtung hinter dem ersten (Kegel-)Ventil 18, 20 durch einen Ringspalt 36 zwischen der Ventilnadel 11 und dem Innendurchmesser 37 der Führungsbuchse 21 angedrosselt.

Als Alternative zu dem Ringspalt 36 können auch Flächenanschliffe 38 an der Ventilnadel 11 zu einer Androsselung verwendet werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Leckage während des Schaltvorganges gering zu halten, besteht darin, dass man den Ventilquerschnitt des ersten (Kegel-)Ventils 18, 20 wesentlich kleiner gestaltet, als den Ventilquerschnitt des zweiten (Kegel-) Ventils 27, 29. Der Ventilquerschnitt des ersten (Kegel-)Ventils 18, 20 läßt sich nur über den Kegelwinkel des Ventilssitzes 20 und den Innendurchmesser 37 der Führungsbuchse 21 verringern, wenn beide (Kegel-)Ventile 18, 20 und 27, 29 denselben Ventilnadelhub (wie vorliegend der Fall und in Fig. 1 mit "h" bezeichnet) und beide Ventildichtkanten 18, 27 denselben Durchmesser besitzen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines 3/2-Ventils sollen die hochdruckbe aufschlagten Dichtkanten 18, 27 der Ventile 18, 20 und 27, 29 und die hochdruck beaufschlagte Ventilnadelführung 12 im wesentlichen auf demselben Dichtdurch messer liegen und somit eine druckkraftausgeglichene Ventilnadel 11 gewähr leisten. Durch kleinste gezielte Durchmesserdifferenzen der Ventil-Dichtkanten 18, 27, wobei die Dichtkante 27 einen (in Wirklichkeit nur minimal) größeren Durchmesser aufweist, als die Dichtkante 18, - entstehen gezielte Druckkräfte auf die Ventilnadel 11. Durch diese druckabhängigen Kräfte und die Druckkraft der Feder 30 kann das Schaltverhalten des 3/2-Ventils gezielt beeinflusst werden.

Die im Vorstehenden beschriebenen Gegebenheiten und Möglichkeiten der Durchmessergestaltung bzw. - Variierung an den Ventil-Dichtkanten 18, 27 bzw. Ventilsitzen 20, 29 sind in Fig. 3 und 4 nochmals durch gegenüber Fig. 1 vergrößerte Darstellung besonders veranschaulicht. Bei der vorliegenden, aus Fig. 1, 3 und 4 ersichtlichen 3/2-Ventilkonstruktion wurde das zweite (Kegel-)Ventil 27, 29 zwischen Common Rail (Druckkanal 14) und Einspritzdüse (Kanal 16), gesetzt, weil die für das zweite (Kegel-)Ventil 27, 29 typischen entgegen der Öffnungsrichtung wirkenden Strömungskräfte den Öffnungsvorgang des (Kegel-) Ventils 27, 29 verlangsamen. Dadurch wird der Einspritzdruck verzögert aufgebaut, was bei der motorischen Verbrennung vorteilhaft ist.

Um die Einspritzung sehr schnell beenden zu können, wurde das erste (Kegel-)Ventil 18, 20 zwischen Einspritzdüse (Kanal 16) und Rücklauf 17 gesetzt, da die für das erste (Kegel-)Ventil 18, 20 typischen in Öffnungs richtung wirkenden Strömungskräfte das Öffnen der Ventilnadel 11 be schleunigen. Somit wird der Einspritzdruck sehr schnell abgebaut und die Einspritzung beendet.

Die Ventilnadel 11 wird über geringe Spiele, welche gute Ausrichtung zu den Dichtsitzen bzw. -kanten 18, 27 gewährleisten und Leckage von den Druck kammern 13, 15 aus vermeiden, im Ventilkörper 10 und in der Führungsbuchse 21 geführt. Die Führungsbuchse 21 ist mit kleinstmöglichem Spiel in den Ventilkörper eingesetzt, so dass - im Schließzustand des ersten (Kegel-)Ventils 18, 20 und während in der Druckkammer 15 Hochdruck herrscht - der Druck über das kleine Leckage reduzierende Spiel der Bohrung 22 abgedichtet werden kann. Gleichzeitig ist hierbei eine uneingeschränkte Einfügbarkeit der Führungsbuchse 21 in den Ventilkörper 10 und bezüglich der Ventilnadel 11 gewährleistet.

Durch das Druckfeld, das sich im Leckagespalt der Bohrung 22 zwischen Führungsbuchse 21 und Ventilkörper 10 während des Einspritzvorgangs ergibt, verformt sich die Bohrung 37 der Führungsbuchse 21. Um ein Klemmen der Ventilnadel 11 zu vermeiden, ist im verformungsgefährdeten Bereich 37 keine Ventilnadelführung vorhanden. Vielmehr liegt in der Führungsbuchse 21 der Führungsbereich für die Ventilnadel 11 bei 42. Auf der Höhe des Führungs bereiches 42 der Führungsbuchse 21 besitzt die Ventilnadel 11 Flächenan schliffe 38, die ein Durchströmen der Absteuermenge des Kraftstoffs beim Öffnen des ersten (Kegel-)Ventils 18, 20 erlauben.

Ventilkörper 10, Ventilnadel 11 und Führungsbuchse 21 müssen gleichermaßen hohe Genauigkeit sowohl an den Führungsflächen 12, 42 und 22 wie auch an den Dichtflächen 20, 19, 29, 28 und Dichtkanten 18, 27 der beiden (Kegel-)Ventile 18, 20 und 27, 29 aufweisen. Ebenso muss die Führungsbuchse 21 hohe Genauigkeit zur Dichtkante 18 des ersten (Kegel-)Ventils 18, 20 und zu ihrem Aussendurch messer 22 aufweisen, damit Hochdruckdichtheit gewährleistet ist. Der funktionsbe stimmende Ventilnadelhub h wird durch die Maßkette über die Dichtkanten 18, 27 an der Ventilnadel 11, des Ventilkörpers 10 und der Führungsbuchse 21 und über die Anschlagfläche 24 am Ventilkörper 10 für die Führungsbuchse 21 bestimmt.

Eine Verbindungsbohrung 43 führt die Leckagemenge des Kraftstoffs aus dem Führungsspalt 12 in einen dem Rücklauf 17 zuzurechnenden Raum 44 und von dort über einen Kanal 45 in den Niederdruckbereich der zugeordneten Kraft stoffeinspritzpumpe (nicht gezeigt) ab. Außerdem ermöglicht die Verbindungs bohrung 43 einen Volumenausgleich der von der bewegten Ventilnadel 11 ver drängten Kraftstoffmasse.

Die Variante nach Fig. 2 entspricht in ihren wesentlichen Merkmalen der Aus führungsform nach Fig. 1. Die einander entsprechenden Teile sind deshalb in Fig. 2 mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1, bei Abweichungen lediglich ergänzt durch den Buchstaben "a".

Fig. 2 zeigt insgesamt ein 3/2-Ventil, das durch einen Druckmagneten 46 (üblicher und daher nicht detailliert beschriebener Bauart) betätigt und zwischen dem Common Rail (Druckkanal 14) und der Einspritzdüse (Druckkanal 16a) angeordnet ist. Eine Besonderheit bzw. Abweichung gegenüber der Aus führungsform nach Fig. 1 besteht darin, dass die axiale Fixierung der Führungs buchse 21 und die rückwärtige Abstützung der Druckfeder 30 durch eine Spannschraube 47 erfolgt. Die Spannschraube 47 ist in ein Innengewinde 48 eines separaten Ventilkörperteils 49 eingeschraubt und gegenüber diesem durch einen O-Ring 50 abgedichtet. Das separate Ventilkörperteil 49 ist mittels zweier Schrauben 51, 52 an dem Ventilkörper 10a befestigt und durch einen O-Ring 53 abgedichtet. Für den (drucklosen) Kraftstoffrücklauf ist innerhalb der Spannschraube 47 - in koaxialer Verlängerung zu der Ventilnadel 11 - ein zentrischer Rücklaufkanal 54 vorgesehen.

Claims

1. Hubgesteuertes Ventil als Kraftstoff-Zumesseinrichtung eines Einspritzsystems für Brennkraftmaschinen, mit einer in einem Ventilkörper (10, 10a) gegen Feder widerstand (30) betägigbaren abgestuften Ventilnadel (11), einer mit einer Hoch druckversorgung (14) verbundenen ersten Druckkammer (13), einer zweiten Druckkammer (15), die einen zu einer zugeordneten Einspritzdüse führenden Anschluß (16, 16a) besitzt, und mit einem drucklosen Kraftstoffrücklauf (17), dadurch gekennzeichnet, dass an der Ventilnadel (11) zwei axial beabstandete Ventil-Dichtkanten (18, 27) ausgebildet sind, die mit je einem am Ventilkörper (10, 10a) ausgebildeten und beabstandet angeordneten Ventilsitz (20 bzw. 29) - hierbei ein erstes Ventil (18, 20) und ein zweites Ventil (27, 29) bildend - zusammenwirken, derart, dass durch das zweite Ventil (27, 29) die beiden Druckkammern (13, 15) verbunden sind und das erste Ventil (18, 20) die zweite Druckkammer (15) mit dem drucklosen Kraftstoffrücklauf (17) verbindet, und dass der axiale Abstand der beiden Ventilsitze (20, 29) größer als der axiale Abstand der beiden Ventil- Dichtkanten (18, 27) ist, derart, dass (nur) während der Hubdauer der Ventilnadel (11) erstes (18, 20) und zweites Ventil (27, 29) gleichzeitig geöffnet sind.

2. Hubgesteuertes Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ventil-Dichtkanten (18, 27) an je einem Ende eines durch zwei Durch messerverrringerungen (19, 28) der Ventilnadel (11) erzeugten Ventilteils (41) ausgebildet sind.

3. Hubgesteuertes Ventil nach Anspruch 1 oder 2, mit einer rücklaufseitig im Ventilkörper (10, 10a) angeordneten Ventilnadel-Führungsbuchse (21), dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (20) für das erste Ventil (18, 20) am druck kammerseitigen (oberen) Ende der Ventilnadel-Führungsbuchse (21) und der Ventilsitz (29) für das zweite Ventil (27, 29) unmittelbar am Ventilkörper (10, 10a) ausgebildet ist.

4. Hubgesteuertes Ventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ventilsitze (20,29) kegelförmig ausgebildet sind, derart, dass erstes und zweites Ventil Kegelventile (18, 20; 27, 29) sind.

5. Hubgesteuertes Ventil nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (11) am rücklaufseitigen Anschluss an das erste (Kegel-)Ventil (18, 20) zunächst eine Durchmesserverringerung (19) und anschließend eine Verdickung aufweist, derart, dass sich zwischen dem Innendurchmesser (37) der Ventilnadel-Führungsbuchse (21) und dem Außendurchmesser der Verdickung ein den Kraftstoffrücklauf drosselnder Ringspalt (36) ergibt.

6. Hubgesteuertes Ventil nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (11) an ihrem rücklaufseitigen Bereich Flächenanschliffe (38) auf wiest, die mit dem Innendurchmesser (37) der Ventilnadel-Führungsbuchse (21) derart zusammenwirken, dass sich eine Drosselung des Kraftstoffrücklaufs ergibt.

7. Hubgesteuertes Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsbuchse (21) eine Innenbohrung (42) besitzt, die im Zusammenwirken mit dem die Flächenanschliffe (38) aufweisenden (unteren) Bereich der Ventilnadel (11) - zusätzlich zu einer (oberen) Führungs bohrung (12) im Ventilkörper (10, 10a) - zur Führung der Ventilnadel (11) dient.

8. Hubgesteuertes Ventil nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventil-Querschnitt des ersten (Kegel-)Ventils (18, 20) kleiner ist als der Ventil-Querschnitt des zweiten (Kegel-)Ventils (27, 29).

9. Hubgesteuertes Ventil nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtdurchmesser der hochdruckbeaufschlagten Dichtkanten (18 bzw. 27) der beiden (Kegel-)Ventile (18, 20; 27, 29) und der Durchmesser (D₂) der hochdruckbeaufschlagten Führungsbohrung (12) übereinstimmen.

10. Hubgesteuertes Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltverhalten desselben durch minimale gezielte Durchmesserdifferenzen der Ventil-Dichtkanten (18, 27) bzw. der Dichtsitze (18, 20 bzw. 27, 29) und des Führungsdurchmessers (12) der Ventilnadel (11) beeinflussbar ist.