DE102010044119A1

DE102010044119A1 - Mengensteuerventil eines Kraftstoffsystems

Info

Publication number: DE102010044119A1
Application number: DE102010044119A
Authority: DE
Inventors: Dieter Maier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-05-24
Also published as: WO2012065766A1; US20130327973A1; KR20130126920A; EP2640957A1; CN103339367A; CN103339367B; JP2013540236A

Abstract

Es wird ein Mengensteuerventil (14) eines Kraftstoffsystems (1) vorgestellt, wobei das Mengensteuerventil (14) ein Betätigungselement (34), eine von dem Betätigungselement (34) gegen die Kraft einer Ventilfeder (26) beaufschlagbares Ventilelement (24), mindestens einen ersten Gehäuseabschnitt (20), einen an dem ersten Gehäuseabschnitt (20) ausgebildeten Führungsabschnitt (30) zur Führung des Betätigungselements (34), und einen an dem ersten Gehäuseabschnitt (20) ausgebildeten und mit dem Ventilelement (24) zusammenwirkenden Ventilsitz (55) umfasst, und wobei der erste Gehäuseabschnitt (20) mit dem Führungsabschnitt (30) und dem Ventilsitz (55) einstückig durch Pulverspritzgießen hergestellt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Mengensteuerventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mengensteuerventile, beispielsweise in einem Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine, sind vom Markt her bekannt. Mengensteuerventile werden im Allgemeinen elektromagnetisch betrieben und sind häufig ein Bestandteil einer Hochdruckpumpe des Kraftstoffsystems. Das Mengensteuerventil steuert die zu einem Hochdruckspeicher fließende Kraftstoffmenge, von wo aus der Kraftstoff zu den Einspritzventilen der Brennkraftmaschine geleitet wird. Ein mit einer Ventilnadel des Mengensteuerventils gekoppelter Anker kann durch Magnetkraft bewegt werden, wodurch die Ventilnadel betätigt wird. Die Ventilnadel ihrerseits beaufschlagt eine Ventilplatte. Die Ventilplatte kann gegen einen Ventilsitz anschlagen, beziehungsweise von dem Ventilsitz abgehoben werden. Dadurch kann eine Kraftstoffmenge der Brennkraftmaschine geregelt werden. Üblicherweise umfassen Mengensteuerventile mehrere Elemente zur Erfüllung verschiedenartiger Funktionen, beispielsweise unter anderem eine Nadelführung, eine Kraftstoffdurchströmung, einen Ventilsitz und einen Ventilsitzanschlag.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Mengensteuerventil nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass ein Mengensteuerventil eines Kraftstoffsystems einfacher baut, indem mehrere verschiedene Elemente in einem einstückigen und funktionsgleichen Bauteil, welches durch Pulverspritzgießen hergestellt ist, zusammengefasst sind. Dabei können Fertigungsschritte gespart, sowie Montagefehler und Montagetoleranzen minimiert werden. Außerdem kann die Qualität des derart einstückig hergestellten Elements bereits am fertigen Bauteil und noch vor der Montage geprüft werden, wodurch Fehlerkosten vermieden werden. Wegen der beispielsweise im Kraftfahrzeugbau üblichen Stückzahlen kann trotz verfahrenstechnischer Initialkosten, wie etwa der Anfertigung von Spritzgusswerkzeugen, diese Technik lohnend angewendet werden, und somit die Gesamtkosten vermindert werden.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein Mengensteuerventil zur Erfüllung der zahlreichen Anforderungen sehr differenziert gebildet ist. Insbesondere werden viele verschiedenartige Elemente in dem Mengensteuerventil miteinander verbunden. Erfindungsgemäß wird ein erster Gehäuseabschnitt zusammen mit einem Führungsabschnitt zur Führung eines Betätigungselements, und einem mit einem Ventilelement zusammenwirkenden Ventilsitz, einstückig in einem Verfahren des Pulverspritzgießens hergestellt.
Damit werden an sich verschiedenartige Funktionen beziehungsweise Elemente zu einem einstückigen Bauteil zusammengefasst. Das einstückige Bauteil übernimmt zum einen eine Teilfunktion eines Gehäuses bzw. Trägerelements des Mengensteuerventils, weiterhin die Funktion eines radialen Gleitlagers zur radialen Führung des Betätigungselements, und außerdem die Funktion eines Ventilsitzes, an dem ein von dem Betätigungselement beaufschlagtes Ventilelement aufsitzen kann. Dabei können Pressverbindungen zur Montage des Mengensteuerventils eingespart werden, wodurch zugleich die Maßhaltigkeit verbessert und die Dauerfestigkeit erhöht werden kann.
Eine Ausgestaltung des Mengensteuerventils sieht vor, dass der erste Gehäuseabschnitt topfförmig zylindrische Gestalt hat und der Führungsabschnitt an einer zentrischen Öffnung in einem Boden des ersten Gehäuseabschnitts vorhanden ist. Auf diese Weise kann der erste Gehäuseabschnitt im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt sein, und der Führungsabschnitt entsprechend zentrisch angeordnet sein, was einfach gefertigt werden kann. Ergänzend kann der Boden im Bereich des Führungsabschnitts eine axial größere Dicke aufweisen, um die axiale Führung zu verbessern.
Der erste Gehäuseabschnitt wird verbessert, wenn in dem Boden des ersten Gehäuseabschnitts Durchströmöffnungen für den Kraftstoff vorhanden sind. Die Integration von Durchströmöffnungen in den ersten Gehäuseabschnitt ermöglicht eine besonders kompakte und einfache Bauweise des Mengensteuerventils, und spart entsprechende Arbeitsschritte an einer anderen Stelle. Dabei kann der Querschnitt der Durchströmöffnungen dank des Pulverspritzgießens eine nahezu beliebige Form aufweisen. Gegebenenfalls können die Durchströmöffnungen auch als Nuten ausgeführt sein.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der Ventilsitz durch einen sich axial erstreckenden Ringsteg gebildet ist. Dadurch wird der für die Funktion des Mengensteuerventils wichtige Ventilsitz mit in den ersten Gehäuseabschnitt integriert. Es sind somit keine zusätzlichen Elemente, welche separat montiert werden müssten, erforderlich.
Das Mengensteuerventil wird weiter verbessert, wenn der erste Gehäuseabschnitt mindestens einen sich axial erstreckenden Verbindungsabschnitt zur Herstellung mindestens einer Pressverbindung zu mindestens einem zweiten Gehäuseabschnitt umfasst. Dadurch ist es möglich, den ersten Gehäuseabschnitt an einem zweiten Gehäuseabschnitt, und gegebenenfalls an weiteren Gehäuseabschnitten des Mengensteuerventils anzuordnen, ohne dass zusätzliche Befestigungselemente erforderlich sind. Die sich axial erstreckenden Verbindungsabschnitte sind dabei ein integraler Bestandteil des ersten Gehäuseabschnitts. Besonders günstig ist es, wenn der erste Gehäuseabschnitt in beide axiale Richtungen mindestens jeweils einen Verbindungsabschnitt aufweist, so dass beiderseits des ersten Gehäuseabschnitts weitere Gehäuseabschnitte angepresst werden können.
Ergänzend ist vorgesehen, dass in den ersten Gehäuseabschnitt ein topfförmig zylindrischer zweiter Gehäuseabschnitt eingepresst ist, an dem sich eine Ventilfeder für das Ventilelement abstützt. Der zweite Gehäuseabschnitt ist also entsprechend dem ersten Gehäuseabschnitt im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt. Der erste und der zweite Gehäuseabschnitt können daher einfach miteinander verpresst werden, wobei vor dem Einpressen ein Ventilelement und eine zu dem Ventilelement gehörende Ventilfeder zwischen die beiden Gehäuseabschnitte eingelegt werden. Dadurch kann die Herstellung des Mengensteuerventils vereinfacht, und Toleranzen können minimiert werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der erste Gehäuseabschnitt mindestens eine axiale Nut aufweist, durch welche Kraftstoff zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt und/oder einem weiteren Gehäuseabschnitt axial fließen kann. Durch die mindestens eine axiale Nut kann der für die Funktion des Mengensteuerventils erforderliche Austausch von Kraftstoff erfolgen, ohne dass zusätzliche Elemente oder komplizierte Formgebungen benötigt werden. Dadurch kann gegebenenfalls der zweite Gehäuseabschnitt einfacher gestaltet sein und kostengünstig hergestellt werden.
Das Mengensteuerventil wird weiter verbessert, wenn es einen gehärteten Anschlagring für das Ventilelement umfasst, der in den zweiten Gehäuseabschnitt eingepresst ist. Dadurch kann der zweite Gehäuseabschnitt aus einem vergleichsweise weichen Material hergestellt sein, beispielsweise mittels Tiefziehen und/oder Stanzen, wobei mittels des harten Anschlagsrings ein dennoch verschleißfester Anschlag des Ventilelements hergestellt wird. Der zweite Gehäuseabschnitt ist somit vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar, und kann dennoch mittels sich axial erstreckender Verbindungsabschnitte mit dem ersten Gehäuseabschnitt verpresst werden.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 ein Schema eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine;
2 eine Teildarstellung einer ersten Ausführungsform eines Mengensteuerventils des Kraftstoffsystems der 1 in einer Schnittansicht;
3 eine Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform des Mengensteuerventils in einer Schnittansicht; und
4 eine Teildarstellung einer dritten Ausführungsform des Mengensteuerventils in einer Schnittansicht.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein Kraftstoffsystem 1 einer Brennkraftmaschine in einer stark vereinfachten Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 9 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 4, mittels einer Vorförderpumpe 5, über eine Niederdruckleitung 7, und über ein von einem Elektromagneten 15 betätigbares Mengensteuerventil 14 einer (hier nicht weiter erläuterten) Hochdruckpumpe 3 zugeführt. Stromabwärts ist die Hochdruckpumpe 3 über eine Hochdruckleitung 11 an einen Hochdruckspeicher 13 (”Common Rail”) angeschlossen. Sonstige Elemente, wie beispielsweise Ventile der Hochdruckpumpe 3, sind in der 1 nicht gezeichnet. Es versteht sich, dass das Mengensteuerventil 14 als Baueinheit mit der Hochdruckpumpe 3 ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 14 ein zwangsweise öffenbares Einlassventil der Hochdruckpumpe 3 sein. Außerdem kann das Mengensteuerventil 14 auch eine andere Betätigungseinrichtung als den Elektromagneten 15 aufweisen, beispielsweise einen Piezoaktor oder eine hydraulische Betätigung.
Beim Betrieb des Kraftstoffsystems 1 fördert die Vorförderpumpe 5 Kraftstoff vom Kraftstofftank 9 in die Niederdruckleitung 7. Dabei bestimmt das Mengensteuerventil 14 die einem Arbeitsraum der Hochdruckpumpe 3 zugeführte Kraftstoffmenge.
Die 2 zeigt eine Teilansicht des Mengensteuerventils 14 in einer Schnittdarstellung. Das Mengensteuerventil 14 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Längsachse 18 ausgeführt. In der Mitte der 2 ist ein erster Gehäuseabschnitt 20 angeordnet. Der erste Gehäuseabschnitt 20 weist eine in etwa topfförmige zylindrische Gestalt auf und umfasst einen zylindrischen Wandabschnitt 22 im unteren Bereich der Zeichnung. In dem radial einwärts von dem zylindrischen Wandabschnitt 22 gebildeten Volumen sind ein plattenförmiges Ventilelement 24, eine Ventilfeder 26 und ein zweiter Gehäuseabschnitt 28 koaxial angeordnet. Der zweite und ebenfalls zylindrische Gehäuseabschnitt 28 ist in den Wandabschnitt 22 des ersten Gehäuseabschnitts 20 eingepresst. Dabei stützt sich die Ventilfeder 26 an dem zweiten Gehäuseabschnitt 28 ab.
Weiterhin umfasst der erste Gehäuseabschnitt 20 einen in einem Boden (ohne Bezugszeichen) des topfförmigen ersten Gehäuseabschnitts 20 vorhandenen Führungsabschnitt 30 mit einer zentrischen Öffnung 32, in welcher ein Endabschnitt 33 eines axial bewegbaren Betätigungselements 34 radial geführt wird. Der Endabschnitt 33 beaufschlagt das Ventilelement 24 in einer kugelkappenförmigen Ausnehmung 25 des Ventilelements 24. Durch in dem Boden des ersten Gehäuseabschnitts 20 als Bohrungen ausgeführte Durchströmöffnungen 36 kann Kraftstoff zwischen einem in der Zeichnung oberen und unteren Bereich des ersten Gehäuseabschnitts 20 ausgetauscht werden. In der Zeichnung oberhalb des ersten Gehäuseabschnitts 20 ist ein dritter Gehäuseabschnitt 38 angeordnet. Der dritte Gehäuseabschnitt 38 weist im linken Bereich der 2 eine Öffnung 40 auf, welche mit der Niederdruckleitung 7 verbunden ist. Radial zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt 20 und dem zweiten Gehäuseabschnitt 28 sind an letzterem über den Umfang verteilt mehrere Kanäle 48 ausgebildet, durch welchen Kraftstoff in axialer Richtung fließen kann.
Weiterhin weist der erste Gehäuseabschnitt 20 mehrere sich in 2 axial nach oben erstreckende zapfenartige Verbindungsabschnitte 50 auf, mittels derer eine Pressverbindung zu dem zweiten Gehäuseabschnitt 28 hergestellt ist. Die Verbindungsabschnitte 50 sind so ausgeführt, dass ein geeignetes Verhältnis des Durchmessers des ersten Gehäuseabschnitts 20 zu der axialen Länge der Pressverbindung erreicht wird. An seiner in der Zeichnung unteren Seite weist der erste Gehäuseabschnitt 20 einen sich axial erstreckenden Ringsteg 54 auf, der einen Ventilsitz 55 für das Ventilelement 24 bildet.
Im Betrieb kann das Mengensteuerventil 14 zwei Zustände annehmen. In einem in der 2 dargestellten geöffneten Zustand beaufschlagt das Betätigungselement 34 das Ventilelement 24 in der Zeichnung nach unten und drückt dieses gegen einen im Wesentlichen ringförmigen Anschlag 52 des zweiten Gehäuseabschnitts 28. Dabei wird zwischen dem Ventilelement 24 und dem Ringsteg 54 des ersten Gehäuseabschnitts 20 ein Ringspalt 56 freigegeben. Dadurch kann von der Niederdruckleitung 7, die Öffnung 40, die Durchströmöffnungen 36, den Ringspalt 56, und die Kanäle 48 Kraftstoff in den Arbeitsraum der Hochdruckpumpe 3 bzw. in umgekehrter Richtung zurückströmen.
In einem in der 2 nicht dargestellten gesperrten Zustand des Mengensteuerventils 14 ist das Betätigungselement 34 in der Zeichnung nach oben mindestens soweit von dem Ventilelement 24 abgehoben, dass das Ventilelement 24 durch die Kraft der Ventilfeder 26 gegen den Ringsteg 54 gedrückt werden kann. Dadurch wird das Mengensteuerventil 14 gesperrt, und es kann kein Kraftstoff zwischen den Kanälen 48 und der Öffnung 40 fließen.
Der erste Gehäuseabschnitt 20 ist einstückig nach einem Verfahren des Pulverspritzgießens hergestellt. Man erkennt, dass der erste Gehäuseabschnitt 20, wie oben bereits beschrieben, mehrere verschiedene Aufgaben übernimmt. Zum ersten bildet er abschnittsweise einen Teil des Gehäuses des Mengensteuerventils 14, beziehungsweise einen Träger für die weiteren Gehäuseabschnitte 28 und 38. Zum zweiten bildet er mittels der Durchströmöffnungen 36 und der Kanäle 48 Strömungskanäle für den Kraftstoff. Zum dritten bildet er den Führungsabschnitt 30 für das Betätigungselement 34 mit der zentrischen Öffnung 32, und zum vierten bildet er mittels des Ringstegs 54 den Ventilsitz 55 für das Ventilelement 24.
Vorliegend ersetzt der einstückig hergestellte erste Gehäuseabschnitt 20 unter anderem zwei andernfalls erforderliche Pressverbindungen. Insbesondere ist eine eventuelle Pressverbindung zwischen einem den Führungsabschnitt 30 bildenden Element und einem Träger-Element wegen der einstückigen Ausführung des ersten Gehäuseabschnitts 20 nicht erforderlich. Dadurch kann die Führung des Betätigungselements 34 ohne eine zusätzliche Toleranz erfolgen, und eine eventuelle nicht koaxiale Ausrichtung des Betätigungselements 34 (”Nadelschiefstand”) vermieden werden. Weiterhin kann der erste Gehäuseabschnitt 20 so maßhaltig gefertigt werden, dass die zentrische Öffnung 32 nicht nachbearbeitet werden muss.
Die 3 zeigt – aufbauend auf die 2 – eine weitere Ausführungsform des Mengensteuerventils 14. Ergänzend sind in der 3 die Kanäle 48 mittels Nuten 58 (”Durchströmnuten”) am ersten Gehäuseabschnitt 20 ausgeführt, durch welche Kraftstoff zwischen dem Wandabschnitt 22 des ersten Gehäuseabschnitts 20 und einer radial äußeren Begrenzungsfläche des zweiten Gehäuseabschnitts 28 axial fließen kann. Die übrigen Abschnitte des Mengensteuerventils 14 der 3 sind denen der 2 gleich oder ähnlich ausgeführt.
Die 4 zeigt – wiederum aufbauend auf die 2 und 3 – eine nochmals weitere Ausführungsform des Mengensteuerventils 14. Der zweite Gehäuseabschnitt 28 ist wiederum als Topf ausgeführt, welcher aus einem vergleichsweise weichen Werkstoff mittels eines Tiefziehverfahrens und/oder Stanzverfahrens hergestellt ist. In den zweiten Gehäuseabschnitt 28 ist ein Anschlagring 62 eingepresst, welcher aus einem vergleichsweise harten Werkstoff oder gehärtet hergestellt ist. Dadurch kann das Ventilelement 24 in der Offenstellung definiert auf dem Anschlagring 62 anschlagen und aufliegen.

Claims

Mengensteuerventil (14) eines Kraftstoffsystems (1), wobei das Mengensteuerventil (14) ein Betätigungselement (34), eine von dem Betätigungselement (34) gegen die Kraft einer Ventilfeder (26) beaufschlagbares Ventilelement (24), mindestens einen ersten Gehäuseabschnitt (20), einen an dem ersten Gehäuseabschnitt (20) ausgebildeten Führungsabschnitt (30) zur Führung des Betätigungselements (34), und einen an dem ersten Gehäuseabschnitt (20) ausgebildeten und mit dem Ventilelement (24) zusammenwirkenden Ventilsitz (55) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseabschnitt (20) mit dem Führungsabschnitt (30) und dem Ventilsitz (55) einstückig durch Pulverspritzgießen hergestellt ist.
Mengensteuerventil (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseabschnitt (20) topfförmig zylindrische Gestalt hat und der Führungsabschnitt (30) an einer zentrischen Öffnung (32) in einem Boden des ersten Gehäuseabschnitts (20) vorhanden ist.
Mengensteuerventil (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Boden des ersten Gehäuseabschnitts (20) Durchströmöffnungen (36) für den Kraftstoff vorhanden sind.
Mengensteuerventil (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (55) durch einen sich axial erstreckenden Ringsteg (54) gebildet ist.
Mengensteuerventil (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseabschnitt (20) mindestens einen sich axial erstreckenden Verbindungsabschnitt (50) zur Herstellung mindestens einer Pressverbindung zu mindestens einem zweiten Gehäuseabschnitt (28) umfasst.
Mengensteuerventil (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den ersten Gehäuseabschnitt (20) ein topfförmig zylindrischer zweiter Gehäuseabschnitt (28) eingepresst ist, an dem sich eine Ventilfeder (26) für das Ventilelement (24) abstützt.
Mengensteuerventil (14) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseabschnitt (20) mindestens eine axiale Nut (58) aufweist, durch welche ein Kraftstoff zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt (20) und dem zweiten Gehäuseabschnitt (28) und/oder einem weiteren Gehäuseabschnitt (38) axial fließen kann.
Mengensteuerventil (14) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen gehärteten Anschlagring (62) für das Ventilelement (24) umfasst, der in den zweiten Gehäuseabschnitt (28) eingepresst ist.