DE102008042531A1 - Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung, umfassend ein Gehäuse (20) mit Spritzlöchern (11) und einem Innenelement (20a), welches den Innenraum des Gehäuses in einen ersten Druckraum (18) und einen zweiten Druckraum (19) unterteilt, wobei das Innenelement (20a) einen ersten Durchlass (12) aufweist, welcher den ersten Druckraum (18) mit dem zweiten Druckraum (19) verbindet, einen Elektromagneten (23), ein Vorventil (3) mit einem Vorventilsitz (9), einer Vorventilnadel (5), einem Anker (24), einer Vorventilfeder (6) und einer Schieberhülse (8), wobei die Schieberhülse (8) mit dem Anker (24) verbunden ist und einen Steuerungsbereich (8a) umfasst, ein Hauptventil (4) mit einem Schließelement (7), welches eine umlaufende Schließkante (7a) aufweist, um die Spritzlöcher (11) freizugeben und zu verschließen, wobei der Vorventilsitz (9) am Schließelement (7) angeordnet ist, und das Schließelement (7) im zweiten Druckraum (19) angeordnet ist, und einen Druckausgleichsraum (13), welcher zwischen dem Innenelement (20a) des Gehäuses und dem Schließelement (7) angeordnet ist, wobei das Innenelement (20a) einen zweiten Durchlass (21) aufweist, welcher den ersten Druckraum (18) mit dem Druckausgleichsraum (13) verbindet, wobei der zweite Durchlass (21) mittts (8) freigebbar und verschließbar ist und wobei das Schließelement (7) durch eine Druckabsenkung im Druckausgleichsraum (13) eine Öffnung der ...
Description
- Stand der Technik
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung mit einem Elektromagneten, wobei die Ventilanordnung insbesondere zur Einspritzung höchster Drücke bei Diesel- und Benzin-Einspritzanlagen einsetzbar ist.
- Bei Ventilen für die Benzin-Direkteinspritzung bzw. bei Diesel-Injektoren stellen insbesondere die hohen Drücke ein großes Problem dar. Insbesondere bei nach innen öffnenden Ventilen wird eine Ventilnadel aufgrund des hohen Kraftstoffdrucks stark in den Ventilsitz gedrückt. Dies führt zu einer großen Öffnungskraft für die Ventilnadel, welche mit den geforderten kurzen Schaltzeiten nicht mittels Magnetaktoren bereitgestellt werden kann. Um derartige Ventile steuern zu können, wurden dabei Systeme vorgeschlagen, bei denen die Ventilnadel indirekt über eine Druckvariation in einem Steuerraum betätigt wird. Dies erfordert jedoch aufgrund der inneren Leckage und der Steuermenge eine Kraftstoffrückleitung zum Tank auf niedrigem Druckniveau. Von daher sind die bekannten Systeme relativ aufwendig und teuer. Ferner ist eine der Anforderungen für Ventile bei der Kraftstoffeinspritzung, dass sie in einer möglichst kurzen Zeit einen möglichst großen Strömungsquerschnitt freigeben können bzw. wieder schließen können.
- Vorteile der Erfindung
- Die erfindungsgemäße Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass sie einen kompakten und kostengünstigen Aufbau aufweist und insbesondere mittels eines Elektromagneten betätigbar ist. Bisher wurden zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung aufgrund des hohen Kraftstoffdrucks derartige Einspritzvorgänge insbesondere mittels Piezo-Aktoren ausgeführt. Die erfindungsgemäße Ventilanordnung kann dagegen mittels eines Elektromagneten betätigt werden und kann somit sehr kostengünstig bereitgestellt werden. Hierbei umfasst die erfindungsgemäße Ventilanordnung ein Vorventil und ein Hauptventil sowie ein in einem Gehäuse angeordnetes Innenelement, welches den Innenraum des Gehäuses in einen ersten und zweiten Druckraum unterteilt. Zwischen einem Schließelement des Hauptventils und dem Innenelement des Gehäuses ist ein Druckausgleichsraum angeordnet, welcher einen Öffnungsvorgang der Ventilanordnung durch Erzeugung einer Druckabsenkung im Druckausgleichsraum ermöglicht. Das Schließen der Ventilanordnung erfolgt dagegen durch eine Druckerhöhung im Druckausgleichsraum. Erfindungsgemäß können hierbei kleine Aktoren mit hoher Dynamik verwendet werden. Da keine Festkörperreibung während des Öffnungs- und Schließvorgangs auftritt, ergibt sich insbesondere ein signifikant reduzierter Verschleiß, so dass die Ventilanordnung eine lange Lebensdauer aufweist. Ferner werden nur geringe Kräfte zum Öffnen des Ventils benötigt, so dass die Ventilanordnung auch bei extrem hohen Drücken verwendet werden kann. Weiterhin ist insbesondere bei Dieseleinspritzungen keine Rückführung eines Steuervolumens mehr erforderlich, so dass der damit verbundene Systemaufwand entfällt.
- Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
- Vorzugsweise umfasst das Innenelement des Gehäuses einen Führungsbereich zum Führen des Schließelements. Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau erreicht. Weiter bevorzugt ist eine Vorventilfeder des Vorventils zwischen einer Vorventilnadel und einem Boden einer Schieberhülse angeordnet. Mittels der Schieberhülse wird insbesondere eine Druckhöhe im Druckausgleichsraum gesteuert.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Rückstellung des Schließelements des Hauptventils mittels Druck aus dem ersten Druckraum. Hierdurch kann ein sehr schneller Schließvorgang realisiert werden.
- Vorzugsweise umfasst die Ventilanordnung eine zweite Rückstellfeder, welche die Schieberhülse in eine Ausgangsposition zurückstellt.
- Weiterhin ist bevorzugt auch ein zweiter Elektromagnet vorgesehen, welcher die Schieberhülse betätigt. Hierdurch kann eine Betätigung der Schieberhülse unabhängig von dem ersten Elektromagneten erfolgen.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorventilnadel zweiteilig aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil hergestellt. Der erste Teil ist nadelartig ausgebildet und gibt den Vorventilsitz frei bzw. verschließt diesen. Der zweite Teil umfasst den Anker und ist mit dem ersten Teil über ein mechanisches Verzögerungsglied verbunden. Das mechanische Verzögerungsglied ist vorzugsweise ein Aufnahmeraum mit einer Anschlagfläche und einem separaten Mitnehmer, wobei der Aufnahmeraum am ersten Teil angeordnet ist und der Mitnehmer, der im Aufnahmeraum angeordnet ist, am zweiten Teil angeordnet ist und nach einer vorbestimmten Wegstrecke gegen die Anschlagfläche anstößt und somit den ersten Teil mitnimmt. Alternativ kann selbstverständlich auch der Mitnehmer am ersten Teil und der Aufnahmeraum am zweiten Teil vorgesehen sein. Somit wird bei einer Betätigung des Vorventils zuerst nur der Anker mit dem daran angeordneten Teil der Vorventilnadel bewegt und erst nach Ineingriffbringen des Mitnehmers mit dem Aufnahmeraum auch der andere Teil mitbewegt und somit das Vorventil geöffnet.
- Zeichnung
- Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung eine Ventilanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
-
1 eine schematische Schnittansicht einer Ventilanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im geschlossenen Zustand und -
2 bis6 Schnittansichten der in1 gezeigten Ventilanordnung in unterschiedlichen Betriebszuständen. - Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
- Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
1 bis6 eine Ventilanordnung1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. - Wie aus
1 ersichtlich ist, umfasst die Ventilanordnung1 einen Elektromagneten23 , ein Vorventil3 und ein Hauptventil4 . Das Vorventil3 umfasst einen Anker24 und eine Ventilnadel5 , welche zweiteilig ausgebildet ist. Die Ventilnadel5 umfasst einen ersten Teil5a , welcher die Nadel aufweist, und einen zweiten Teil5b , welcher den Anker umfasst. Der erste Teil5a ist mit dem zweiten Teil5b über ein mechanisches Verzögerungsglied15 verbunden. Das mechanische Verzögerungsglied15 umfasst einen Mitnehmer15a und einen Aufnahmeraum15b , welcher eine Anschlagfläche15c umfasst. Das mechanische Verzögerungsglied15 bewirkt dabei eine verzögerte Öffnung der Ventilnadel5a , nämlich so lange, bis der Mitnehmer15a mit der Anschlagfläche15c bei einer Bestromung des Elektromagneten23 in Kontakt kommt. Ferner ist eine Vorventilfeder6 vorgesehen, welche zwischen dem mechanischen Verzögerungsglied15 , genauer der Außenseite des Aufnahmeraums15b , und einer Schieberhülse8 angeordnet ist. Die Schieberhülse8 ist, wie aus1 ersichtlich ist, mit dem zweiten Teil5b der Ventilnadel5 fest, beispielsweise mittels Schweißen, verbunden. Die Schieberhülse8 weist dabei eine Topf-Form auf und weist an ihrem offenen Endbereich einen Steuerbereich8a auf, welcher eine Öffnung21 freigibt bzw. verschließt. Die Öffnung21 ist dabei in einem Innenelement20a eines Gehäuses20 ausgebildet. Das Innenelement20a unterteilt dabei einen Innenraum des Gehäuses20 in einen ersten Druckraum18 und einen zweiten Druckraum19 . Der erste Druckraum18 ist mit dem zweiten Druckraum19 über eine am Innenelement20 ausgebildete Verbindungsbohrung12 verbunden. Sowohl im ersten Druckraum als auch im zweiten Druckraum herrscht jeweils der hohe Einspritzdruck P1. - Das Hauptventil
4 der Ventilanordnung1 umfasst im Wesentlichen ein Hauptventil-Schließelement7 , welches in einem Führungsbereich22 geführt ist. Wie aus1 ersichtlich ist, ist der Führungsbereich22 am Innenelement20a ausgebildet. Ferner ist am Schließelement7 ein Vorventilsitz9 vorgesehen, welcher mittels des ersten Teils5a der Vorventilnadel5 freigebbar und verschließbar ist. Die Ventilnadel5 gibt dabei eine Verbindung29 frei, welche mit Spritzlöchern11 verbunden ist, die im Gehäuse20 ausgebildet sind. Am Schließelement7 ist ferner eine Schließkante7a ausgebildet, welche die Spritzlöcher11 im geschlossenen Zustand gegenüber dem Druck P1, welcher im zweiten Druckraum19 herrscht, abdichtet. - Weiterhin ist zwischen dem Innenelement
20a und dem Schließelement7 ein Druckausgleichsraum13 angeordnet. Der Druckausgleichsraum13 ist über die Öffnung21 mit dem ersten Druckraum18 verbunden. Hierzu ist in der Schieberhülse8 eine Verbindungsöffnung8b vorgesehen. Weiterhin ist eine zweite Rückstellfeder14 vorgesehen, welche die Schieberhülse8 in der in1 gezeigten Ausgangsposition hält. Hierbei stützt sich die zweite Rückstellfeder14 an einem weiteren Gehäuseteil20b ab. - Die Funktion der erfindungsgemäßen Ventilanordnung
1 ist dabei wie folgt:1 zeigt den geschlossenen Zustand der Ventilanordnung1 . Hierbei ist sowohl das Schließelement7 mit der Schließkante7a an einem Hauptventilsitz10 als auch das Vorventil3 geschlossen. Der hohe Druck P1, welcher beispielsweise bis zu 3000 × 105 Pascal bei Diesel-Injektoren betragen kann, liegt im ersten Druckraum18 und im zweiten Druckraum19 vor. Ferner gelangt der hohe Druck P1 auch über die Öffnung8b sowie die Öffnung21 im Innenelement20a in den Druckausgleichsraum13 . Im Bereich der Einspritzlöcher11 und an der Bohrung29 herrscht dagegen ein deutlich kleinerer Druck P0. Wenn nun eine Einspritzung erfolgen soll und das Hauptventil4 geöffnet werden soll, wird der Elektromagnet23 bestromt. Hierdurch wird der Anker24 mitsamt dem zweiten Teil5b der Ventilnadel5 angezogen. Dies ist in2 durch den Pfeil A angedeutet. Da die Schieberhülse8 fest mit dem zweiten Teil5b der Ventilnadel5 verbunden ist, wird diese ebenfalls gegen die Federkraft der zweiten Rückstellfeder14 bewegt. Dies ist in2 durch den Pfeil B angedeutet. Nach einer kurzen zurückgelegten Wegstrecke kommt der mit dem zweiten Teil5b verbundene Mitnehmer15a mit der Anschlagfläche15b am Aufnahmeraum15b des ersten Teils5a in Kontakt. Wenn diese Position, die in2 dargestellt ist, eingenommen wurde, verschließt der Steuerbereich8a der Schieberhülse8 die Öffnung21 . Hierdurch ist die Verbindung zwischen dem ersten Druckraum18 und dem Druckausgleichsraum13 unterbrochen. Im Druckausgleichsraum13 liegt jedoch noch der hohe Druck P1 an. Wenn dann die Ventilnadel5 weiter bewegt wird, nimmt der zweite Teil5b über das mechanische Verzögerungsglied15 den ersten Teil5a mit, was in3 durch den Pfeil C angedeutet ist. Dadurch hebt die Ventilnadel5 von dem Vorventilsitz9 ab, so dass eine Verbindung zwischen dem Druckausgleichsraum13 und den Spritzlöchern11 vorhanden ist. Dadurch sinkt der Druck im Druckausgleichsraum13 schlagartig ab. Da am Schließelement7 des Hauptventils4 eine äußere Ringfläche7b vorgesehen ist, an welcher der hohe Druck P1 anliegt, wird das Schließelement7 , wie in3 durch den Pfeil D angedeutet, in Öffnungsrichtung bewegt. Die öffnende Kraft resultiert daraus, dass der Außendurchmesser der Ringfläche7b dem des Druckausgleichsraums13 entspricht und unterhalb der Ringfläche der hohe Druck P1 anliegt, während im Druckausgleichsraum nach erfolgter Druckabsenkung ein geringerer Druck herrscht. Hierdurch ist die Verbindung zwischen dem zweiten Druckraum19 und den Spritzlöchern11 freigegeben, so dass eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgt. Dieser Zustand ist in4 dargestellt. In diesem Zustand ist der Elektromagnet23 immer noch bestromt. Wie aus4 ersichtlich ist, ist der Druckausgleichsraum13 dabei vollständig verschwunden, da das Schließelement7 durch den hohen Druck P1 gegen das Innenelement20a gedrückt wird. - Wenn die Einspritzung beendet werden soll, wird die Bestromung des Elektromagneten
23 unterbrochen und die Vorventilfeder6 sowie die zweite Rückstellfeder14 stellen die Vorventilnadel5 wieder in Richtung auf ihren geschlossenen Ausgangszustand zurück5 ). Hierbei wird die Schieberhülse8 durch die zweite Rückstellfeder14 nach unten gedrückt, wie durch den Pfeil E angedeutet, und der Aufnahmeraum15b und damit der erste Teil5a der Ventilnadel5 wird durch die Vorventilfeder6 zurückgestellt, wie durch den Pfeil F angedeutet. Dadurch wird die Vorventilnadel5 wieder auf ihren Vorventilsitz9 gedrückt und gleichzeitig gibt der Steuerbereich8a der Schieberhülse8 die Öffnung21 wieder frei. Somit herrscht an der dem Druckausgleichsraum13 zugewandten Druckfläche des Schließelements7 wieder der hohe Druck P1, welcher auch an der den Spritzlöchern zugewandten Druckseite des Schließelements7 herrscht. Da mittels der Vorventilfeder6 über den ersten Teil5a der Vorventilnadel5 jedoch eine zusätzliche Federkraft auf das Schließelement7 ausgeübt wird, bewegt sich das Schließelement7 weiter in Richtung auf den geschlossenen Zustand, was in6 durch den Pfeil G angedeutet ist. Hierdurch kommt die Schließkante7a des Schließelements7 wieder in Kontakt mit dem Gehäuse20 , so dass eine Verbindung zwischen dem zweiten Druckraum19 und den Spritzlöchern11 wieder unterbrochen ist. Dadurch ist die Einspritzung beendet. - Somit wird erfindungsgemäß durch eine Drucksenkung im Druckausgleichsraum
13 eine Öffnung der Ventilanordnung1 und somit eine Einspitzung von Kraftstoff erreicht. Zum Schließen der Ventilanordnung wird der Druck im Druckausgleichsraum13 wieder erhöht. Zwar strömt beim Ausführen der Drucksenkung im Druckausgleichsraum13 etwas Kraftstoff über die Spritzlöcher11 in den Brennraum, jedoch handelt es sich hierbei nur um eine kleine Menge, da unmittelbar nach der Druckabsenkung das Schließelement7 nach oben bewegt wird und die Einspritzung beginnt. Zur Beendigung der Einspritzung wird der Druck im Druckausgleichsraum13 wieder erhöht, so dass in Verbindung mit der Kraft der Vorventilfeder6 wieder ein Schließen des Schließelements7 ausgeführt wird und die Einspritzung beendet wird. Erfindungsgemäß kann dies durch die Verwendung eines kostengünstigen Elektromagneten erreicht werden, wobei insbesondere auch während des Öffnungs- und Schließvorgangs keine Festkörperreibung auftritt, was zu einem minimalen Verschleiß der Ventilanordnung1 führt. Hierdurch weist diese eine sehr lange Lebensdauer und auch eine sehr große Betätigungssicherheit auf. Weiterhin kann der Betrieb bei verschiedenen Drücken uneingeschränkt ausgeführt werden. Auch sind Druckänderungen während des Betriebes, wie z. B. ein geänderter Einspritzdruck, möglich, ohne dass hierzu Umstellungen an der Ventilanordnung1 notwendig sind. Dabei weist die erfindungsgemäße Ventilanordnung1 trotzdem einen sehr kompakten und insbesondere kostengünstigen Aufbau auf.
Claims (8)
- Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung, umfassend – ein Gehäuse (
20 ) mit Spritzlöchern (11 ) und einem Innenelement (20a ), welches den Innenraum des Gehäuses in einen ersten Druckraum (18 ) und einen zweiten Druckraum (19 ) unterteilt, wobei das Innenelement (20a ) einen ersten Durchlass (12 ) aufweist, welcher den ersten Druckraum (18 ) mit dem zweiten Druckraum (19 ) verbindet, – einen Elektromagneten (23 ), – ein Vorventil (3 ) mit einem Vorventilsitz (9 ), einer Vorventilnadel (5 ), einem Anker (24 ), einer Vorventilfeder (6 ) und einer Schieberhülse (8 ), wobei die Schieberhülse (8 ) mit dem Anker (24 ) verbunden ist und einen Steuerungsbereich (8a ) umfasst, – ein Hauptventil (4 ) mit einem Schließelement (7 ), welches eine umlaufende Schließkante (7a ) aufweist, um die Spritzlöcher (11 ) freizugeben und zu verschließen, wobei der Vorventilsitz (9 ) am Schließelement (7 ) angeordnet ist, und das Schließelement (7 ) im zweiten Druckraum (19 ) angeordnet ist, und – einen Druckausgleichsraum (13 ), welcher zwischen dem Innenelement (20a ) des Gehäuses und dem Schließelement (7 ) angeordnet ist, wobei das Innenelement (20a ) einen zweiten Durchlass (21 ) aufweist, welcher den ersten Druckraum (18 ) mit dem Druckausgleichsraum (13 ) verbindet, wobei der zweite Durchlass (21 ) mittels des Steuerungsbereichs (8a ) des Schieberelements (8 ) freigebbar und verschließbar ist und wobei das Schließelement (7 ) durch eine Druckabsenkung im Druckausgleichsraum (13 ) eine Öffnung der Ventilanordnung ausführt. - Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenelement (
20a ) einen Führungsbereich (20c ) zum Führen des Schließelements (7 ) umfasst. - Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorventilfeder (
6 ) zwischen der Vorventilnadel (5 ) und der Schieberhülse (8 ) angeordnet ist. - Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückstellung des Schließelements (
7 ) mittels einer Druckerhöhung im Druckausgleichsraum (13 ) und der Federkraft der Vorventilfeder (6 ) erfolgt. - Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine zweite Rückstellfeder (
14 ), welche die Schieberhülse (8 ) in eine Ausgangsposition zurückstellt. - Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen zweiten Elektromagneten, welcher die Schieberhülse (
8 ) betätigt. - Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorventilnadel (
5 ) einen ersten Teil (5a ) und einen zweiten Teil (5b ) umfasst, wobei der erste Teil (5a ) den Vorventilsitz (9 ) freigibt und verschließt und der zweite Teil (5b ) den Anker (24 ) umfasst, und wobei der erste Teil (5a ) mit dem zweiten Teil (5b ) über ein mechanisches Verzögerungsglied (15 ) für eine zeitlich versetzte Betätigung des ersten (5a ) und zweiten Teils (5b ) der Vorventilnadel (5 ) verbunden ist. - Vorventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Verzögerungsglied (
15 ) einen Aufnahmebereich (15b ) mit Anschlagfläche (15c ) und einen Mitnehmer (15a ) umfasst, wobei der Mitnehmer (15a ) im Aufnahmebereich (15b ) angeordnet ist.
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