DE10066102B4 - Steuerventil für einen Einspritzinjektor - Google Patents

Abstract

Steuerventil für einen Einspritzinjektor eines Einspritzsystemes von Brennkraftmaschinen, insbesondere von mit Speicherdruckeinspritzung arbeitenden, diesel- oder schwerölbetriebenen Brennkraftmaschinen, bei denen der Einspritzinjektor eine Einspritzdüse (2) mit einer Düsennadel (3) aufweist, die durch Druckbeaufschlagung mit Einspritzmedium von einer Schließ- in eine Öffnungsstellung umstellbar ist, wobei zur Bewegung in Öffnungsrichtung ein düsenseitiger Kanalanschluss (13) über das Steuerventil (8) an den hochdruckseitigen Kanalanschluss (12) des Einspritzsystemes und zur Bewegung in Schließrichtung, bei Sperrung des düsenseitigen Kanalanschlusses (13) gegen den hochdruckseitigen Kanalanschluss (12), an einen niederdruckseitigen Kanalanschluss (14) des Einspritzsystemes angeschlossen ist, wobei das Steuerventil (8) als 3/2-Wegeventil einen in einer Gehäusebohrung geführten, bezüglich seiner Druckangriffsflächen ausgeglichenen Steuerkolben (9) mit zwei Dichtflächen (33; 37) aufweist, deren eine an einer den Durchmesser vergrößernden Schulter des Steuerkolbens (9) vorgesehen ist, die einer im Übergang von einem den Steuerkolben (9) umgebenden Ringraum (31) auf eine den Duuchmesser der Gehäusebohrung erweiternden Ventilkammer (32) der Gehäusebohrung liegenden Dichtgrenze zugordnet ist,...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für einen Einspritzinjektor eines Einspritzsystems von Brennkraftmaschinen, insbesondere von mit Speicherdruckeinspritzung arbeitenden diesel- oder schwerölbetriebenen Brennkraftmaschinen.
• Steuerventile der vorgenannten Art sind aus der EP 0 657 642 A2 bekannt. Als Steuerventile für druckgesteuerte Einspritzinjektoren weisen sie hochdruckseitige Anschlussverbindungen, zu einem Druckspeicher, zur Einspritzdüse und zur Niederdruckseite bzw. dem Rücklauf auf und verbinden, in der Funktion eines 3/2-Wegeventiles, schaltstellungsabhängig die Einspritzdüse mit dem Druckspeicher oder dem Rücklauf sowie, in einer Übergangsphase zwischen den beiden diesbezüglichen Schaltstellungen, Einspritzdüse, Druckspeicher und Rücklauf. Die Düsennadel der Einspritzdüse ist bei Anschluss an die Hochdruckseite durch druckseitige Beaufschlagung mit Einspritzmedium in Richtung auf ihre Öffnungslage und durch niederdruckseitige Beaufschlagung und ergänzende Federbelastung, in Richtung auf ihre Schließlage belastet, und sie öffnet bei geschalteter Anschlussverbindung zwischen Druckspeicher und Einspritzdüse. Durch niederdruckseitige Beaufschlagung, ergänzend zur Federbelastung, ist die Düsennadel in ihrer Schließlage gehalten, so lange sie nicht durch den bei Schaltung der Verbindung des Druckspeichers zur Einspritzdüse, und damit abgesteuerter Verbindung zur Niederdruckseite, durch die druckseitige Beaufschlagung entgegen der Schließkraft der Feder in ihre vom Sitz abgehobene Öffnungslage gedrückt wird. Bezüglich der Druckan griffsflächen ist der Steuerkolben des Steuerventils so dimensioniert, dass in beiden Hubrichtungen, in geöffnetem und geschlossenem Zustand, Druckausgleich gegeben ist, so dass über die vom Steller aufzubringenden Kräfte lediglich die den Steuerkolben des Steuerventils in Richtung auf seine die Anschlussverbindung zwischen Druckspeicher und Düsennadel sperrende Lage belastenden Federkräfte zu überwinden sind. Die druckausgeglichene Ausgestaltung des Steuerkolbens bedingt konstruktiv entsprechende Durchmesserabstimmungen auch hinsichtlich der Verbindung zur Niederdruckseite, die über eine koaxiale, im Steuerkolben liegende Bohrung läuft, was zu entsprechenden konstruktiven Einschränkungen und Fertigungsaufwendungen führt.
• Des Weiteren ist ein druckgesteuerter Einspritzinjektor aus der US 5 311 850 A bekannt. Dessen Steuerventil ist ein Magnetsteller zugeordnet, der den Steuerkolben beaufschlagt. Zur Einspritzung wird der Magnetsteller bestromt und über den Magnetsteller der Steuerkolben in eine Hublage gebracht, in der die Druckkammer der Düsennadel mit der Hochdruckseite verbunden ist. Zur Beendigung der Einspritzung wird die Bestromung des Magnetstellers abgeschaltet, die Druckkammer der Düsennadel über den Steuerkolben gegen die Hochdruckseite abgesperrt und über den Steuerkolben ein weiterer Sperrkolben beaufschlagt, der in seiner Öffnungslage eine Querverbindung des gesteuerten, auf die Druckkammer der Düsennadel ausmündenden Teiles der hochdruckseitigen Zuleitung auf den Federraum der Düsennadel und über diesen auf die Niederdruckseite freigibt. Der dadurch erreichte Druckaufbau im Federraum soll das Schließen der Düsennadel beschleunigen.
• Des Weiteren ist aus der JP 07 332 200 AA ein hubgesteuerter Einspritzinjektor bekannt, dessen Steuerventil als 3/2- Wegeventil mit über einen lagefest abgestützten Stützkolben druckausgeglichenem Steuerkolben arbeitet. Durch das Zusammenwirken des Steuerkolbens mit dem Stützkolben wird eine Dichtgrenze bestimmt, die in der Verbindung eines rückseitig zur Düsennadel liegenden Druckraumes mit der Hochdruckseite liegt. In der Verbindung des Druckraumes mit der Niederdruckseite liegt eine durch den Steuerkolben und eine diesen aufnehmenden Bohrung bestimmte Dichtgrenze, so dass durch entsprechende Bestromung eines dem Steuerkolben zugeordneten Stellers der Druckraum, über den die Düsennadel ergänzend zur Schließfeder in Schließrichtung druckbeaufschlagbar ist, schaltstellungsabhängig mit der Hochdruckseite oder der Niederdruckseite verbunden ist.
• Ein Einspritzinjektor grundsätzlich gleicher Funktion und ähnlichen Aufbaus ist aus der DE 196 05 277 A1 bekannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil der eingangs genannten Art in einer weiteren Ausgestaltungsform zu schaffen, um so in der konstruktiven Auslegung, insbesondere in der Bemessung und der Lage der Anschlussverbindungen bei einfachem und fertigungstechnisch günstigem Aufbau erweiterte Gestaltungsmöglichkeiten zu erhalten.
• Erreicht wird dies mit den Merkmalen des Anspruches 1, wobei der Stützkolben, genutzt zur Abgrenzung von Kanalführungen in der Bohrung, die Freiräume bezüglich der Positionierung der über den Steuerkolben laufenden Anschlüsse und Kanäle erweitert und auch zusätzliche Möglichkeiten für die Lage der Dichtgrenzen eröffnet, ohne in den Bohrungsverlauf der den Steuerkolben aufnehmenden Bohrung eingreifen zu müssen.
• Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles mit weiteren Details erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematisierte Schnittdarstellung, die den grundsätzlichen Aufbau eines Einspritzinjektors gemäß der Erfindung darstellt,
• 2 eine stark schematisierte Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Einspritzinjektors im Steuerkolbenbereich des Steuerventiles, wobei dieser Ausschnitt mit A in 1 angedeutet ist, und
• 3 eine weitere Ausschnittsvergrößerung, nunmehr des Ausschnittes B in 2.
• In den Figuren ist mit 1 der Einspritzinjektor bezeichnet, der, wie die Schemadarstellung gemäß 1 zeigt, eine Einspritzdüse 2 mit einer Düsennadel 3 aufweist, die in Richtung auf ihre Schließlage über eine in einem Federraum 4 vorgesehene Federanordnung 5 belastet ist, wobei an den Federraum 4 in Gegenrichtung zur Düsennadel 3 ein Druckraum 6 anschließt, in dem ein bei Druckbeaufschlagung die Federanordnung 5 in Richtung auf die Schließlage der Düsenadel 3 belastender Niederhaltekolben 7 angeordnet ist.
• Ferner umfasst der Einspritzinjektor 1 ein Steuerventil 8 mit einem Steuerkolben 9. Über das Steuerventil 8 werden die Anschlüsse an die Hoch- und Niederdruckseite gesteuert, wobei der Einspritzinjektor 1 hochdruckseitig mit einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher verbunden ist, wie dies für Speicherdrucksysteme in Form von Common-Rail-Systemen beispielsweise bekannt ist.
• Angesteuert wird das Steuerventil 8 über einen Magnetsteller 10, wobei im Ausführungsbeispiel zur Kraftverstärkung noch ein Servosteuerventil 11 zwischengeschaltet ist, wie es insbesondere dann eingesetzt werden kann, wenn die erforderlichen Steuerkräfte über Magnetsteller 10 nicht zur Verfügung gestellt werden können und/oder die Schaltvorgänge zu langsam ablaufen. Wird ein solches Servosteuerventil 11 eingesetzt, so ist diesem bevorzugt eine gesonderte Druckversorgung zugeordnet, worauf hier nicht näher eingegangen wird.
• Die dem Steuerventil 8 zugeordneten und über den Steuerkolben 9 gesteuerten Kanalanschlüsse sind mit 12 bis 14 bezeichnet und insbesondere in 2 veranschaulicht, wobei der Kanalanschluss 12 für den hochdruckseitigen Zulauf steht und die Verbindung zum Hochdruckspeicher herstellt. Der Anschluss 13 liegt in der Verbindung zur Einspritzdüse 2, wobei der zugehörige Kanal 15, wie in 1 schematisiert veranschaulicht, auf die Druckkammer 16 ausmündet, so dass über die Druckschulter 17 der Düsennadel 3 letztere bei entsprechender Druckbeaufschlagung in Öffnungsrichtung entgegen der unter anderem durch die Federanordnung 5 aufgebrachten Schließkraft angehoben wird.
• Über den Kanalanschluss 14 erfolgt der Rücklauf, wobei der zugehörige Rücklaufkanal 18 über ein Druckhalteventil 19 auf einen nicht dargestellten Vorratsbehälter ausmündet und mit dem Druckraum 6 über eine Stichleitung 20 verbunden ist. Vom Druckraum 6 geht desweiteren ein zur Niederdruckseite führender Drosselkanal 21 aus, der niederdruckseitig zumindest bis zum Druckraum 6 einen vom Zufluß auf den Kanal 14 abhängigen und/oder, als kombiniertes Drosselventil, einen vorgegebenen Mindestdruck gewährleistet.
• Der Steuerkolben 9 weist konzentrisch zur Kolbenachse 22 eine von seiner Stirnseite 23 ausgehende Bohrung 24 als Aufnahme für einen Stützkolben 25 auf. In der Bohrung 24 ist der Stützkolben 25 axial verschieblich geführt, der sich gegen einen gehäusefesten, die Bohrung 24 überbrückenden Stützbalken 26 abstützt, welcher seinerseits von Stützfingern 27 des Stellkolbens 28 des Servosteuerventiles 11 übergriffen ist, die sich gegen die Stirnseite 23 des Steuerkolbens 9 abstützen. Der Stützbalken 26 liegt im Übergang zwischen einem unteren Gehäuseteil 29, der die Aufnahme für den Steuerkolben 9 bildet, und einem oberen Gehäuseteil 30. Die Gehäuseteile 29, 30 sind über eine Planfläche aneinander anliegend gegeneinander verspannt.
• Dem Kanalanschluss 12 ist im Steuerkolben 9 ein im Durchmesser verringerter Ringraum 31 zugeordnet, der gegen die dem Kanalanschluss 13 zugeordnete Ventilkammer 32 über eine Dichtfläche 33 des Steuerkolbens 9 abgegrenzt ist, die mit einer entsprechenden gehäuseseitigen, durch einen Ventilsitz gebildeten Dichtfläche die Dichtgrenze zwischen den Kanalanschlüssen 12 und 13 bildet, welche bei in Richtung auf das Gehäuseoberteil 30 angehobenem Stützkolben 9 die Verbindung zwischen den Kanalanschlüssen 12 und 13 freigibt und dadurch Einspritzmedium über den Kanal 15 der Druckkammer 16 zuführt, so dass die Düsennadel 3 gegen die Kraft der Federanordnung 5 in Öffnungsrichtung angehoben wird.
• Entsprechend dem Hub des Steuerkolbens 9 ergibt sich ein Axialversatz zwischen dem Steuerkolben 9 und dem in der Bohrung 24 angeordneten Stützkolben 25, der als Steuerschieber ausgebildet ist und die Verbindung zwischen der Ventilkammer 32 und dem rücklaufseitigen Kanalanschluss 14 steuert. Hierzu ist die über den Stützkolben 25 gegenüberliegend zum Stützbalken 26 in der Aufnahmebohrung 24 abgegrenzte Stützkammer 34, die über einen Querkanal 35 mit der Ventilkammer 32 in Verbindung steht, absteuerbar mit dem rücklaufseitigen Kanalanschluss 14 verbunden, wozu dem Stützkolben 25 als Steuerschieber eine im Ausführungsbeispiel konische Dichtfläche 36 zugeordnet ist, der im Übergang auf den Querkanal 35 seitens der Bohrung 24 eine Dichtfläche 37 entspricht, so dass bei in den Steuerkolben 9 in Richtung auf die Dichtfläche 37 der Bohrung 24 eingefahrenem Stützkolben 25 die Durchflussverbindung zwischen der Ventilkammer 32 und dem Kanalanschluss 14 gesperrt ist. Die Stützkammer 34 ist bei geöffneter, durch die Dichtflächen 36 und 37 gebildeter Dichtgrenze über Verbindungskanäle 38 mit einem Ringkanal 39 verbunden, der im Umfang des Stützkolbens 25 angeordnet ist und der im axialen Überdeckungsbereich zu radialen, auf die Kanalanschlüsse 14 auslaufenden Verbindungsbohrungen 40 liegt.
• Bezogen auf den Hub des Stützkolbens 25 als Steuerschieber gegenüber dem Steuerkolben 9 können bei der geschilderten Lösung der Öffnungsquerschnitt 41 in der durch die Dichtflächen 36 und 37 gebildeten Dichtgrenze und der Überdeckungsquerschnitt 42 des Ringkanales 39 zu den Verbindungsbohrungen 40 sowohl bezüglich ihrer maximalen Größe wie auch des hubabhängig jeweils freigegebenen Querschnittes zueinander variieren, so dass die Verbindung von der Ventilkammer 32 zum rücklaufseitigen Kanalanschluss 14 nicht nur gedrosselt, sondern auch bezüglich des Drosselgrades hubabhängig gesteuert werden kann, womit das Öffnungs- und Schließverhalten der Düsennadel 3 beim Umschalten des Steuerventiles 8 beeinflusst werden kann, insbesondere aber auch Einfluss auf das Öffnungs- und Schließverhalten der Düsennadel 3 in der Umschaltphase genommen werden kann, wenn sowohl die Verbindung zwischen den Kanalanschlüssen 12 und 13 wie auch zwischen den Kanalanschlüssen 13 und 14 freigegeben ist, so dass ein Kurzschlusszustand gegeben ist.
• Hierbei ist davon auszugehen, dass beim Einleiten einer Einspritzung der Steuerkolben 9 einen zunehmend größer werdenden Durchflussquerschnitt über die Dichtfläche 33 freigibt, so dass der Druck im Kanal 15 schnell ansteigt. Die Durchflussverbindung zum niederdruckseitigen Kanalanschluss 14 ist ebenfalls noch geöffnet, über das Druckhalteventil 19 und den Drosselkanal 21 aber sichergestellt, dass der Niederhaltekolben 7 entsprechend druckbeaufschlagt wird und damit, ergänzend zur Federanordnung 5, die Düsennadel 3 noch in ihrer Schließlage hält. Dies gilt auch bei anderen Betriebszuständen mit entsprechender Druckbeaufschlagung des Niederhaltekolbens 7, so auch, wenn die Funktion des nachstehend angesprochenen Mengenbegrenzungsventils noch nicht aktiviert ist, dieses also noch nicht absperrt, sondern gegebenenfalls nur eine der Absperrstellung vorgelagerte reversible Zwischenstellung einnimmt.
• Bei weiterem Hub des Steuerkolbens 9 vergrößert sich der Durchflussquerschnitt zwischen den Kanalanschlüssen 12 und 13, gleichzeitig wird aber die Verbindung zwischen den Kanalanschlüssen 13 und 14 durch den als Steuerschieber wirkenden Stützkolben 25 zunehmend abgesteuert. Entsprechend fällt der rücklaufseitige Druck ab und es verringert sich der über den Niederhaltekolben 7 aufgebrachte Schließkraft-Druckanteil. Da gleichzeitig der Druck im Kanal 15 steigt kann die Düsennadel 3 abheben und die Einspritzung beginnen.
• Dieser Zeitpunkt (Einspritzbeginn) ist so gewählt und die entsprechenden Querschnitte sind so abgestimmt, dass bei einem durch Fehlfunktion bedingten Verharren des Steuerkolbens 9 in einer entsprechenden Hubstellung, oder in einer darüber hinaus gehenden Zwischenhubstellung, und daraus folgender Dauereinspritzung die durchfließende Kraftstoffmenge, bevorzugt einschließlich des noch über den Rücklauf abfließenden Anteiles, größer ist als die Kraftstoffmenge, die bei funktionsgerecht gestakteter Einspritzung der höchstzulässigen Einspritzmenge anfallen würde, so dass ein im hochdruckseitigen Zulauf liegendes, nicht dargestelltes Mengenbegrenzungsventil ansprechen und den hochdruckseitigen Zulauf absperren würde. Durch Berücksichtigung des über den Rücklauf abfließenden Anteiles ist eine besonders feinfühlige Steuerung möglich.
• Bei Beendigung der Einspritzung wird der Steuerkolben 9 federbelastet, in 2 durch die Feder 43 angedeutet, sowie durch den vom Servosteuerventil 11 aufgeschalteten Druck wieder in Richtung auf seine in den Zeichnungen dargestellte Ausgangslage verfahren, in der die Verbindung zwischen den Kanalanschlüssen 12 und 13 über die Dichtfläche 33 abgesteuert wird. Damit wird auch der Stützkolben 25 gegenüber dem Steuerkolben 9 verfahren, so dass über den niederdruckseitig erfolgenden Druckaufbau im Druckraum 6 der Niederhaltekolben 7 beaufschlagt wird und überlagert zur Kraft der Federanordnung 5 die Düsennadel 3 in Schließrichtung belastet, somit die Einspritzung absteuert.
• Bei der Erfindung wird der zum Ausgleich unterschiedlich großer druckbeaufschlagter Flächen des Steuerkolbens 9 und daraus resultierender Stellkräfte verwendete Stützkolben 25 als Steuerschieber genutzt, so dass über den Stützkolben 25 nicht nur in beiden Hubrichtungen, in geöffnetem und im geschlossenen Zustand, ein Druckausgleich erreicht wird, sondern zugleich zusätzliche Steuerfunktionen wahrgenommen werden, was zu einer vereinfachten Gesamtkonstruktion führt.

Claims (4)

1. Steuerventil für einen Einspritzinjektor eines Einspritzsystemes von Brennkraftmaschinen, insbesondere von mit Speicherdruckeinspritzung arbeitenden, diesel- oder schwerölbetriebenen Brennkraftmaschinen, bei denen der Einspritzinjektor eine Einspritzdüse (2) mit einer Düsennadel (3) aufweist, die durch Druckbeaufschlagung mit Einspritzmedium von einer Schließ- in eine Öffnungsstellung umstellbar ist, wobei zur Bewegung in Öffnungsrichtung ein düsenseitiger Kanalanschluss (13) über das Steuerventil (8) an den hochdruckseitigen Kanalanschluss (12) des Einspritzsystemes und zur Bewegung in Schließrichtung, bei Sperrung des düsenseitigen Kanalanschlusses (13) gegen den hochdruckseitigen Kanalanschluss (12), an einen niederdruckseitigen Kanalanschluss (14) des Einspritzsystemes angeschlossen ist, wobei das Steuerventil (8) als 3/2-Wegeventil einen in einer Gehäusebohrung geführten, bezüglich seiner Druckangriffsflächen ausgeglichenen Steuerkolben (9) mit zwei Dichtflächen (33; 37) aufweist, deren eine an einer den Durchmesser vergrößernden Schulter des Steuerkolbens (9) vorgesehen ist, die einer im Übergang von einem den Steuerkolben (9) umgebenden Ringraum (31) auf eine den Duuchmesser der Gehäusebohrung erweiternden Ventilkammer (32) der Gehäusebohrung liegenden Dichtgrenze zugordnet ist, welche im Schließzustand, die durch Anschluss an den hochdruckseitigen Kanalanschluss (12) gegebene Beaufschlagung der Düsennadel (3) in Öffnungsrichtung absteuernd, die Verbindung vom mit dem hochdruckseitigen Kanalanschlusss (12) verbundenen Ringraum (31) auf die mit dem düsenseitigen Kanalanschluss (13) verbundene Ventilkammer (32) absperrt, und deren andere Dichtfläche (37) einer in der Verbindung der Ventilkammer (32) zum niederdruckseitigen Kanalanschluss (14) liegenden, niederdruckseitigen Dichtgrenze (36; 37) zugehört, die im Schließzustand die über eine koaxial im Steuerkolben (9) liegende Bohrung (24) laufende Verbindung der Ventilkammer (32) zum niederdruckseitigen Kanalanschluss (14) absteuert, wobei der Steuerkolben (9) bezüglich seiner Druckangriffsflächen über einen Stützkolben (25) druckausgeglichen ist, der in der in der Verbindung zum niederdruckseitigen Kanalanschluss (14) liegenden Bohrung (24) des Steuerkolbens (9) bei axial lagefester Abstützung verschieblich geführt ist und wobei die niederdruckseitige Dichtgrenze durch eine Dichtfläche (36) des Stützkolbens (25) und die zugehörige Dichtfläche (37) im Steuerkolben (9) gebildet ist.
2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkolben (25) dem die Dichtfläche (33) der in der Gehäusebohrung liegenden Dichtgrenze tragenden Bereich des Steuerkolbens (9) zugeordnet ist.
3. Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den Stützkolben (25) aufnehmende Bereich des Steuerkolbens (9) einen größeren Durchmesser aufweist als der in Bezug auf die in der Gehäusebohrung liegende Dichtgrenze gegenüberliegende Führungsbereich des Steuerkolbens (9).
4. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über den Stützkolben (25) verlaufende Kanalführungen (Verbindungskanäle 38) vorgesehen sind.