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Die
Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Ventilinnennadel
und einer Ventilaußennadel
gemäß der im
Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Ein
derartiges Ventil bzw. ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
ist aus der
DE 101
33 434 A1 bekannt. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst
ein Gehäuse,
in dem in einer Bohrung eine äußere Ventilnadel
angeordnet ist, die mit einem Ventilsitz zur Steuerung wenigstens
einer Einspritzöffnung
zusammenwirkt, welche die Bohrung mit einem Brennraum der Brennkraftmaschine
verbindet. Des Weiteren ist das Kraftstoffeinspritzventil mit einem
Kraftstoff gefüllten
Druckraum ausgeführt,
der eine Druckschulter an der äußeren Ventilnadel
beaufschlagt, so dass die äußere Ventilnadel
eine vom Ventilsitz weg gerichtete Öffnungskraft erfährt. Darüber hinaus
ist ein erster Steuerraum vorgesehen, dessen Druck die äußere Ventilnadel
zumindest mittelbar in Richtung des Ventilsitzes beaufschlagt, wobei
der Druck im ersten Steuerraum gesteuert werden kann. In einer Längsbohrung
der äußeren Ventilnadel
ist eine innere Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet,
die mit dem Ventilsitz zur Steuerung wenigstens einer zusätzlichen
Einspritzöffnung
zusammenwirkt und die eine vom Druck im Druckraum beaufschlagbare
innere Ventildichtfläche
aufweist, durch die eine Öffnungskraft
auf die innere Ventilnadel wirkt.
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Der
inneren Ventilnadel ist ein zweiter mit Kraftstoff befüllbarer
Steuerraum zugeordnet, durch dessen Druck die innere Ventilnadel
zumindest mittelbar eine Schließkraft
in Richtung des Ventilsitzes erfährt,
wobei der Druck im zweiten Steuerraum regelbar ist.
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Das
aus der
DE 101 33
434 A1 bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist jedoch
den Nachteil auf, dass zwischen dem Ventilkörper und den beiden Ventilnadeln
eine Doppelführung
vorgesehen ist, die nachteilhafterweise hohe Anforderungen an die
Fertigungstoleranzen stellt, um eine einwandfreie Funktionsweise
des Kraftstoffeinspritzventils gewährleisten zu können.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Ventil
zum Steuern von Flüssigkeiten
mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei
dem ein Innendurchmesser des Ventilkörpers im Bereich der Ventilaußennadel
größer als
ein Außendurchmesser der
Ventilaußennadel
ausgeführt
ist und die Ventilinnennadel in dem Ventilkörper geführt ist, wobei die Ventilinnennadel
wenigstens bereichsweise derart von der Ventilaußennadel umfasst ist, dass
die Ventilinnennadel eine Führung
für die
Ventilaußennadel darstellt,
hat den Vorteil, dass die Ventilinnennadel im Ventilkörper und
die Ventilaußennadel
lediglich an der Ventilinnennadel geführt ist.
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Aufgrund
dieser Ausführung
haben herstellungsbedingte Fertigungstoleranzen der einzelnen Bauteile
des Ventils einen geringeren negativen Einfluss auf die Funktionsweise
des Ventils als dies bei herkömmlich
ausgeführten
Kraftstoffeinspritzventilen bzw. Ventilen zum Steuern von Flüssigkeiten
der Fall ist, bei welchen im Bereich der Ventilaußennadel
eine Doppelführung,
d. h. jeweils eine Führung
zwischen der Ventilaußennadel
und dem Ventilkörper
sowie zwischen der Ventilaußennadel
und der Ventilinnennadel, vorgesehen ist.
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Damit
werden auf einfache Art und Weise die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeiten
bei der Herstellung der Komponenten eines Ventils zum Steuern von
Flüssigkeiten
reduziert und zudem der Aufwand in der Qualitätssicherung vermindert, was vorteilhafterweise
zu einer Herabsetzung der Fertigungskosten führt.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach
der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
des Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten
nach der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen
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1 einen
stark schematisierten Längsschnitt
durch ein Einspritzventil; und
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2 einen
in 1 dargestellten Bereich II in vergrößerter Einzeldarstellung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein Ventil 1 zum Steuern von Flüssigkeiten bzw. ein Einspritzventil
für ein
Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges
mit einem Ventilsteuermodul 2 und einem Düsenmodul 3 dargestellt.
Das Ventilsteuermodul 2 ist mit einem Aktormodul 4 ausgebildet,
wobei das Aktormodul 4 eine an sich bekannte piezoelektrische
Aktuator-Einheit darstellt. An das Aktormodul 4 schließt sich
eine Ventilglied-Anordnung 5 an, welche einen Stellkolben 6 und
einen Betätigungskolben 7 aufweist,
wobei zwischen diesen beiden Kolben 6, 7 eine
als hydraulischer Koppler bzw. hydraulische Übersetzung und als Ausgleich
von temperaturbedingten Längenschwankungen
des Einspritzventils 1 arbeitende Hydraulikkammer 8 vorgesehen
ist.
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Weiter
ist das Einspritzventil 1 mit einem Hochdruckanschluss 9 versehen, über den
ein in einem Gehäuse 10 des
Ventilsteuermoduls 2 verlaufender Kanal 11 mit
unter Common-Rail-Hochdruck stehendem Kraftstoff gespeist wird,
der dem Düsenmodul 3 zugeführt wird,
wobei der Common-Rail-Druck
vorzugsweise bis zu 1,8 kbar annehmen kann.
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Darüber hinaus
ist das Einspritzventil 1 mit einem Druckbegrenzungsventil 12 versehen, über welches
ein Systemdruck eines in 2 dargestellten Niederdruckbereichs 35 des
Einspritzventils 1 eingestellt wird. Der Systemdruck des
Einspritzventils 1 kann Werte zwischen 2 bar bis 50 bar
annehmen, wobei über
das Druckbegrenzungsventil 12 im vorliegenden Fall vorzugsweise
ein Systemdruck von 30 bar eingestellt wird. Ein weiterer Kanal 13 des
Einspritzventils 1 stellt hierbei einen Rücklaufbereich dar,
welcher im Allgemeinen einen Druck von etwa 1 bar aufweist.
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2 zeigt
den in 1 näher
gekennzeichneten Bereich II bzw. das Düsenmodul 3 in einer
detaillierteren und vergrößerten Einzeldarstellung,
wobei eine Ventilaußennadel 14 und
eine Ventilinnennadel 15 in einem Ventilkörper 16 axial
verschiebbar bzw. längsbeweglich
angeordnet sind. Der in der 2 näher dargestellte
Ventilkörper 16 liegt
gemäß der Darstellung
in 1 an einem Kopfstück 17 des Düsenmoduls 3 an
und ist über
eine Düsenspannmutter 18 fest
mit dem Gehäuse 10 des
Ventilsteuermoduls 2 verbunden.
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Die
Ventilaußennadel 14 wirkt
an ihrem dem Ventilsteuermodul 2 abgewandten Ende mit einem ersten
Ventilsitz 19 des Ventilkörpers 16 derart zusammen,
dass bei einem Abheben der Ventilaußennadel 14 von dem
ersten Ventilsitz 19 erste Einspritzöffnungen 20 des Ventilkörpers 16 freigegeben
werden und eine Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer
nicht näher
dargestellten Brennkraftmaschine in an sich bekannter Art und Weise
erfolgt.
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Die
Ventilinnennadel 15 wirkt an ihrem dem Ventilsteuermodul 2 abgewandten
Ende mit einem zweiten Ventilsitz 21 des Ventilkörpers 16 derart
zusammen, dass bei einem Abheben der Ventilinnennadel 15 von
dem zweiten Ventilsitz 21 zweite Einspritzöffnungen 22 freigegeben
werden und Kraftstoff auch durch die zweiten Einspritzöffnungen 22 in
den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Die
Ventilinnennadel 15 ist in Abhängigkeit eines in einem ersten
Steuerraum 23 herrschenden Drucks, über den eine an der Ventilinnennadel 15 angreifende
resultierende Kraftkomponente einstellbar ist, ansteuerbar. Der
erste Steuerraum 23 ist von der Ventilinnennadel 15 und
dem Kopfstück 17,
in das die Ventilinnennadel 15 mit ihrem dem Ventilsteuermodul 2 zugewandten
Ende eintaucht und in dem die Ventilinnennadel 15 über die
Eintauchlänge
auch geführt ist,
begrenzt.
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Des
Weiteren ist die Ventilaußennadel 14 in Abhängigkeit
eines in einem zweiten Steuerraum 24 herrschenden Drucks, über den
eine an der Ventilaußennadel 14 angreifende
resultierende Kraftkomponente einstellbar ist, ansteuerbar. Der
der Ventilaußennadel 14 zugeordnete
zweite Steuerraum 24 ist von der Ventilaußennadel 14,
der Ventilinnennadel 15, dem Kopfstück 17 und einer am
Ventilkörper 16 angefederten
Steuerraumhülse 25,
welche durch eine Federeinrichtung 26 gegen das Kopfstück 17 gedrückt ist,
begrenzt.
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Ein
Innendurchmesser D_16 des Ventilkörpers 16 ist im Bereich
der Ventilaußennadel 14 größer als
ein Außendurchmesser
D_14 der Ventilaußennadel 14 ausgeführt, so
dass der Ventilkörper 16 keine
Führung
für die
Ventilaußennadel 14 darstellt. Des
Weiteren umfasst die Ventilaußennadel 14 die Ventilinnennadel 15 derart,
dass die Ventilinnennadel 15 eine Führung für die Ventilaußennadel 14 darstellt.
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Darüber hinaus
ist die Steuerraumhülse 25 koaxial
zu der Ventilaußennadel 14 und
der Ventilinnennadel 15 in einer Bohrung 27 des
Ventilkörpers 16 angeordnet,
wobei die Ventilaußennadel 14 eine Führung bzw.
eine Zentrierung in radialer Richtung für die Steuerraumhülse 25 darstellt.
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Die
Steuerraumhülse 25 ist
an ihrem dem Kopfstück 17 zugewandten
Ende mit einer über
die gesamte Wandstärke
der Hülse
verlaufenden Schräge
ausgeführt,
so dass sich im Anlagebereich zwischen der Steuerraumhülse 25 und
dem Kopfstück 17 wenigstens
annähernd
eine Linienberührung
einstellt. Die Linienberührung
bewirkt in Verbindung mit einer entsprechend dimensionierten Federeinrichtung 26 eine
hohe Dichtwirkung zwischen der Steuerraumhülse 25 und dem Kopfstück 17,
wodurch im Betrieb des Einspritzventils 1 eine Trennung
zwischen dem zweiten Steuerraum 24 und einem von dem Ventilkörper 16,
der Ventilaußennadel 14 und
der Steuerraum hülse 25 begrenzten
Ringraum der Bohrung 27 sicher gewährleistet ist.
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Des
Weiteren ist durch die in 2 dargestellte
Ausführung
der Steuerraumhülse 25 gewährleistet,
dass die Steuerraumhülse 25 im
Betrieb des Einspritzventils 1 bezüglich des dann an ihr anliegenden
hydraulischen Drucks wenigstens annähernd kraftausgeglichen ausgeführt ist
und die an der Steuerraumhülse 25 angreifende
resultierende Kraftkomponente im Wesentlichen von der Federeinrichtung 26 in
Richtung des Kopfstückes 17 bewirkt
wird.
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Der
der Ventilinnennadel 15 zugeordnete erste Steuerraum 23 und
der der Ventilaußennadel 14 zugeordnete
zweite Steuerraum 24 sind jeweils mit einem dritten Steuerraum 28 verbunden,
der über eine
Zulaufdrossel 29 mit dem Kanal 11 bzw. dem Hochdruckbereich
des Einspritzventils 1 in Verbindung steht.
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Die
Verbindung zwischen dem ersten Steuerraum 23 und dem dritten
Steuerraum 28 besteht vorliegend aus zwei Verbindungskanälen 30, 31,
wobei der erste Verbindungskanal 30 von einem in dem dritten
Steuerraum 28 längsbeweglich
angeordneten und zwischen zwei Steuerraumventilsitzen 32, 33 verschiebbar
angeordneten Steuerglied 34 sperrbar ist, wenn das Steuerglied 34 dichtend
an dem ersten Steuerraumventilsitz 32 des dritten Steuerraums 28 anliegt.
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Der
dritte Steuerraum 28 ist bei dichtender Anlage des Steuerglieds 34 an
dem zweiten Steuerraumventilsitz 33 des dritten Steuerraums 28 von dem
Niederdruckbereich 35 des Einspritzventils 1 getrennt
und die Ventilinnennadel 15 ist aufgrund des in dem ersten
Steuerraum 23 vorliegenden Drucks gegen den ersten Ventilsitz 19 des
Ventilkörpers 16 gedrückt. Gleichzeitig
ist die Ventilaußennadel 14 aufgrund
des in dem zweiten Steuerraum 24 vorliegenden Drucks gegen
den damit korrespondierenden zweiten Ventilsitz 21 des
Ventilkörpers 16 dichtend
gedrückt.
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Das
Steuerglied 34 wird vorliegend von dem Aktormodul 4 und
der sich daran anschließenden Ventilgliedanordnung 5 derart
angesteuert, dass das Einspritzventil 1 über das
Steuerglied 34, das Teil eines 3/3-Ventils ist, in der
nachfolgend beschriebenen Art und Weise betrieben werden kann.
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In
geschlossenem Zustand der Einspritzöffnungen 20 und 22,
das bedeutet bei unbestromter piezoelektrischer Aktuator-Einheit 4,
liegt das Steuerglied 34 mit seinem wenigstens annähernd halbkugelförmig ausgeführten Ventilkopf 36 an
dem zweiten Steuerraumventilsitz 33 an, da das Steuerglied 34 von
einer weiteren Federeinrichtung 37 des Einspritzventils 1 mit
einer Federvorspannung in Richtung des ersten Steuerraumventilsitzes 32 des
dritten Steuerraumes 28 belastet wird. In dieser Stellung
des Steuergliedes 34 fließt über. den zweiten Steurraumventilsitz 33 des
dritten Steuerraums 28 kein Leckageöl, wodurch die Leckageölmenge sehr
gering gehalten wird.
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Gleichzeitig
liegt in den Steuerräumen 23, 24 und 28 ein
Hochdruck einer Kraftstoffhochdruckquelle, beispielsweise einem
Common-Rail, an, der über den
Kanal 11 bzw. den Hochdruckbereich des Einspritzventils 1 in
das Düsenmodul 3 ge führt wird.
Zum Öffnen
der Einspritzöffnungen 19 wird
das Aktormodul 4 mit Spannung beaufschlagt, was eine plötzliche axiale
Ausdehnung der piezoelektrischen Aktuator-Einheit bewirkt. Durch
die schnelle Betätigung des
Aktormoduls 4 wird in der Hydraulikkammer 8 ein Stelldruck
bzw. Öffnungsdruck
erzeugt, welcher über den
Betätigungskolben 7 auf
das Steuerglied 34 übertragen
wird. Damit ist die Übersetzung
der Übertragung
der Längenänderung
des Aktormoduls 4 von dem Steuerglied 34 komplett
entkoppelt.
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Wenn
der mittels des Aktormoduls 4 aufgebaute Öffnungsdruck über die
Hydraulikkammer 8, den Stellkolben 6 und den Betätigungskolben 7 oder eine
alternative mechanische Übertragungseinrichtung
auf das Steuerglied 34 durchgeschaltet ist, liegt das Steuerglied 34 an
dem ersten Steuerraumventilsitz 32 dichtend an und der
erste Verbindungskanal 30 zwischen dem ersten Steuerraum 23 und
dem dritten Steuerraum 28 ist gesperrt während der
zweite Verbindungskanal 31 zwischen dem ersten Steuerraum 23 und
dem dritten Steuerraum 28 geöffnet ist. In dieser Stellung
des Steuerglieds 34 ist ein zwischen dem zweiten Steuerraum 24 und
dem dritten Steuerraum 28 verlaufender weiterer Verbindungskanal 38 mit
dem Niederdruckbereich 35 des Einspritzventils 1 verbunden,
der mit einem derartigen Drosselquerschnitt D_38 ausgeführt ist,
dass sich der Druck des zweiten Steuerraums 24 ausgehend
von dem über
den Kanal 11 anliegenden Hochdruckniveau derart entspannt,
dass die Ventilaußennadel 14 aufgrund
des in dem von dem Ventilkörper 16,
der Ventilaußennadel 14 und
der Steuerraumhülse 25 begrenzten
Ringraum der Bohrung 27 des Ventilkörpers 16 nach wie
vor unter Hochdruck vorliegenden Kraftstoffs von dem ersten Ventil sitz 19 des
Ventilkörpers 16 abhebt.
In diesem Fall werden die ersten Einspritzöffnungen 20 des Ventilkörpers 16 von
der Ventilaußennadel 14 freigegeben
und Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Zum
Schließen
der ersten Einspritzöffnungen 20 wird
die Spannungsbeaufschlagung des Aktormoduls 4 unterbrochen,
wodurch sich dieser auf seine ursprüngliche axiale Länge verkürzt und
der Stelldruck in der Hydraulikkammer 8 reduziert wird. Infolgedessen
wird das Steuerglied 34 durch die weitere Federeinrichtung 36 in
Richtung des zweiten Steuerraumventilsitzes 33 zurückbewegt,
wobei die Dichtwirkung an dem ersten Steuerraumventilsitz 32 aufgehoben
wird und der zweite Steuerraumventilsitz 33 wieder von
dem Steuerglied 34 verschlossen ist. In dieser Stellung
des Steuerglieds 34 ist der dritte Steuerraum 28 wieder
von dem Niederdruckbereich 35 des Einspritzventils 1 getrennt
und der der Ventilaußennadel 14 zugeordnete
zweite Steuerraum 24 wird wieder mit Hochdruck beaufschlagt,
so dass die Ventilaußennadel 14 erneut
am ersten Ventilsitz 19 des Ventilkörpers 16 zum Anliegen
kommt.
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Wird
die Bestromung des Aktormoduls 4 jedoch derart eingestellt,
dass sich das Steuerglied 34 in einer Zwischenstellung
zwischen den beiden Steuerraumventilsitzen 32 und 33 befindet
und gleichzeitig der erste Steuerraumventilsitz 32 sowie
der zweite Steuerraumventilsitz 33 von dem Steuerglied 34 freigegeben
sind, ist sowohl der zweite Steuerraum 24 über den
weiteren Verbindungskanal 38 als auch der der Ventilinnennadel 15 zugeordnete
erste Steuerraum 23 über den
ersten Verbindungskanal 30 mit dem Niederdruckbereich 35 verbunden.
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In
dieser Stellung des Steuerglieds 34 liegt weder in dem
ersten Steuerraum 23 noch in dem zweiten Steuerraum 24 der
Hochdruck des Kanals 11 an. Dies resultiert aus der Tatsache,
dass die Zulaufdrossel 29 mit einem derartigen Querschnitt
ausgeführt
ist, dass der über
den geöffneten
zweiten Steuerraumventilsitz 33 erfolgende Druckabbau in
den drei Steuerräumen 23, 24 und 28 aufgrund
des in den Niederdruckbereich 35 abfließenden Kraftstoffstromes größer ist
als der über
die Zulaufdrossel 29 aufgrund des zufließenden Kraftstoffs
erfolgende Druckaufbau. Gleichzeitig liegt jedoch in dem von der
Steuerraumhülse 25,
der Ventilaußennadel 14 und
dem Ventilkörper 16 begrenzten
Ringraum der Bohrung 27 des Ventilkörpers 16, der mit
dem Kanal 11 verbunden ist, der Hochdruck der Hochdruckquelle
an, der größer als
das aktuelle Druckniveau der drei Steuerräumen 23, 24 und 28 ist.
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Aufgrund
des Druckunterschiedes zwischen dem Ringraum der Bohrung 27 des
Ventilkörpers 16 und
den drei Steuerräumen 23, 24 und 28 hebt
zuerst die Ventilaußennadel 14 von
dem ersten Ventilsitz 19 des Ventilkörpers 16 ab. Dies
führt wiederum
dazu, dass auf das dem Ventilsteuermodul 2 abgewandte Ende
der Ventilinnennadel 15 der Hochdruck des Ringraumes der
Bohrung 27 des Ventilkörpers 16 einwirkt
und die Ventilinnennadel 15 ebenfalls von ihrem korrespondierenden
Ventilsitz 21 des Ventilkörpers 16 abhebt, womit
auch durch die zweiten Einspritzöffnungen 22 eine
Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine
erfolgt.
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Zum
Beenden der Einspritzung wird die Bestromung des Aktormoduls 4 unterbrochen.
Dann wird das Steuerglied 34 durch die weitere Federeinrichtung 37 gegen
den zweiten Steuerraumventilsitz 33 gedrückt und
der Steuerraum 28 ist von dem Niederdruckbereich 35 des
Einspritzventils 1 getrennt. Dies führt wiederum dazu, dass der über den
Kanal 11 unter Hochdruck zugeführte Kraftstoff über die
Zulaufdrossel 29 in den dritten Steuerraum 28 einfließt und von
dort über
den ersten Verbindungskanal 30 und auch über den
weiteren Verbindungskanal 38 in dem ersten Steuerraum 23 bzw.
in dem zweiten Steuerraum 24 einen derartigen Druckaufbau
bewirkt, dass sowohl die Ventilaußennadel 14 als auch
die Ventilinnennadel 15 gegen den ersten Ventilsitz 19 bzw.
den zweiten Ventilsitz 21 des Ventilkörpers 16 dichtend
gedrückt
werden und die Einspritzung beendet ist.
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Das
vorbeschriebene erfindungsgemäß ausgeführte Ventil
zum Steuern von Flüssigkeiten
stellt eine konstruktiv einfache und kompakte Lösung mit einer einzigen zentralen
Führung
zweier Ventilnadeln und zweier unabhängig voneinander arbeitender Steuerräume dar,
mit welchem zwei verschiedene Lochzeiten geschaltet werden können, was
bei herkömmlich
ausgeführten
Einspritzventilen nur mit erheblich höherem fertigungstechnischen
sowie steuer- und regelungstechnischen Aufwand realisierbar ist.