-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einem erfindungsgemäßen Steuerventil.
-
Ein Steuerventil als Bestandteil eines Kraftstoffinjektors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2015 223 168 A1 der Anmelderin bekannt. Das Steuerventil dient der Bewegung einer in dem Kraftstoffinjektor angeordneten Düsennadel zum Freigeben bzw. Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung. Hierzu weist das Steuerventil einen Magnetanker auf, der dazu dient, zumindest mittelbar einen in Wirkverbindung mit der Düsennadel angeordneten Steuerraum hydraulisch in einen Niederdruckbereich zu entlasten, um ein Öffnen bzw. Freigeben der wenigstens einen Einspritzöffnung zu bewirken. Der Magnetanker weist eine Durchgangsbohrung auf, in der ein Ankerbolzen angeordnet ist, derart, dass der Magnetanker relativ zum Ankerbolzen längsverschiebbar ist. Weiterhin ist der Magnetanker üblicherweise an einem Teilabschnitt seines Außenumfangs beispielsweise von einem Ventilstück radial umfasst bzw. geführt. Um bei nicht bestromtem Steuerventil eine Druckentlastung des Steuerraums zu vermeiden, ist der Magnetanker mittels einer Druckfeder in Richtung seiner den Steuerraum abdichtenden Schließstellung kraftbeaufschlagt. Die Druckfeder umgibt dabei den Ankerbolzen auf einer Teillänge des Ankerbolzens radial, wobei die Längsachsen des Magnetankers, des Ankerbolzens und der Druckfeder konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dadurch wirkt die von der Druckfeder erzeugte Druckkraft auf den Magnetanker konzentrisch zu den Längsachsen des Ankerbolzens, des Magnetankers und des Ventilstücks.
-
Das Abströmverhalten des Kraftstoffs aus dem Steuerraum bei bestromtem Steuerventil ist ein komplexer Vorgang, der neben der Geometrie der Bauteile u.a. auch von strömungstechnischen Eigenschaften wie der Bildung von Kavitationsblasen abhängig ist. Insbesondere bei relativ kleinen Ansteuerdauern des Steuerventils hat es sich dabei herausgestellt, dass ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer und der abströmenden Kraftstoffmenge aus dem Steuerraum vorhanden ist, die sich in der Ansteuerzeit/Mengen-Kennlinie in einer Welligkeit äußert
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es hinsichtlich der Kennlinie des aus dem Steuerraum abströmenden Kraftstoffs insbesondere bei relativ geringen Ansteuerdauern (gemeint sind hierbei Ansteuerdauern des Magnetkreises zwischen 100ms und 400ms) verbesserte Eigenschaften aufweist. Insbesondere ist im Vergleich zu konventionellen Steuerventilen eine geringere Welligkeit, d.h. ein linearer Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer und der abströmenden Kraftstoffmenge aus dem Steuerraum erzielbar. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die von der Druckfeder auf den Magnetanker wirkende Druckkraft exzentrisch zur Längsachse des Magnetankers wirkt. Diese Exzentrizität der Druckkraft der Druckfeder zur Längsachse des Magnetankers bewirkt, dass über die Lebensdauer ein konstantes Kippmoment bzw. eine Querkraft während der Öffnungs- und Schließbewegung auf den Magnetanker aufgebracht wird. Hierdurch wird eine Reibkraft zwischen dem Magnetanker und dem Ventilstück sowie zwischen dem Magnetanker und dem Ankerbolzen erzeugt, welche sich auf die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit der relevanten Bauteile auswirkt. Außerdem kann sich dadurch während der Öffnungsbewegung ein exzentrischer Spalt zwischen dem Ankersitz (des Magnetankers) und dem Ventilsitz (am Ventilstück) ausbilden. Es wird vermutet, dass u.a. diese Auswirkungen zu dem verbesserten Kennlinienverhalten führen.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Steuerventils für einen Kraftstoffinjektor sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
Hinsichtlich der Erzielung der angesprochenen Exzentrizität der Druckkraft zur Längsachse des Magnetankers gibt es verschiedene Möglichkeiten. In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Druckkraft der Druckfeder parallel zur Längsachse des Magnetankers verläuft. Hierzu ist es insbesondere vorgesehen, dass die Druckfeder bzw. deren Längsachse exzentrisch bzw. parallel zur Längsachse des Ankerbolzens verläuft. Wesentlich dabei ist, dass auch bei geöffnetem Magnetanker, bei der die Druckfeder zusammengedrückt wird, zwischen dem Außenumfang des Ankerbolzens und dem Innenumfang der Druckfeder stets ein (sichelförmiger) Radialspalt ausgebildet ist, um eine Selbstzentrierung der Druckfeder zum Ankerbolzen zu vermeiden.
-
Alternativ oder aber zusätzlich kann es zur Ausbildung der exzentrisch zur Längsachse des Magnetankers verlaufenden Druckkraft der Druckfeder vorgesehen sein, dass die Druckfeder auf der dem Magnetanker zugewandten Seite eine erste Stirnfläche aufweist, die sich zumindest mittelbar an dem Magnetanker abstützt, dass die Druckfeder auf der dem Magnetanker abgewandten Seite eine zweite Stirnfläche aufweist, die sich zumindest mittelbar an einem Bauteil eines Injektorgehäuses abstützt, und dass die erste und/oder zweite Stirnfläche der Druckfeder nicht rechtwinklig zur Längsachse des Magnetankers angeordnet sind/ist. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es somit trotz einer konzentrisch zum Ankerbolzen angeordneten Druckfeder eine exzentrisch wirkende Druckkraft der Druckfeder auf den Magnetanker zu erzeugen.
-
In wiederum alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung der Erfindung zur Ausbildung der exzentrischen Druckkraft auf den Magnetanker kann es vorgesehen sein, dass die Druckfeder unter axialer Zwischenlage einer Einstellscheibe an dem Magnetanker anliegt, und dass die Einstellscheibe wenigstens eine Stirnseite aufweist, die nicht rechtwinklig zur Längsachse des Magnetankers verläuft. Eine derartige Ausgestaltung hat insbesondere den Vorteil, dass weder die Anordnung der Druckfeder zum Ankerbolzen, noch die Druckfeder selbst gegenüber dem Stand der Technik verändert werden müssen, und dass trotzdem eine exzentrisch auf den Magnetanker wirkende Druckkraft erzeugbar ist.
-
Wesentlich erscheint, dass zur Unterscheidung einer Exzentrizität, die sich aufgrund von Bauteiletoleranzen oder Montagetoleranzen bei konventionellen Steuerventilen ergibt, die erfindungsgemäße Exzentrizität zwischen 10% und 30% des Durchmessers des Ankerbolzens im Bereich der Druckfeder beträgt, falls die Längsachse der Druckfeder parallel zur Längsachse des Magnetankers verläuft. Bei schrägen Stirnseiten der Druckfeder und/oder der Einstellscheibe beträgt der Winkel zwischen der Stirnseite und der Längsachse des Magnetankers zwischen 70° und 85°.
-
Weiterhin umfasst die Erfindung einen Kraftstoffinjektor, insbesondere Common-Rail-Injektor, mit einem erfindungsgemäßen Steuerventil.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
-
Diese zeigt in:
- 1 einen vereinfachten Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor mit einem erfindungsgemäßen Steuerventil,
- 2 Bauteile des Steuerventils des Kraftstoffinjektors gemäß der 1 in einer vergrößerten Einzeldarstellung zur Erläuterung der exzentrischen Anordnung zwischen der Druckfeder und dem Ankerbolzen,
- 3 einen Längsschnitt durch eine speziell ausgebildete Einstellscheibe zur Erzeugung einer exzentrischen Druckkraft auf den Magnetanker und
- 4 einen Längsschnitt durch eine speziell ausgebildete Druckfeder zur Erzeugung einer exzentrischen Druckkraft auf den Magnetanker.
-
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
-
Der in der 1 vereinfacht dargestellte Kraftstoffinjektor 100 dient dem Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht gezeigten Brennraum einer vorzugsweise selbstzündenden Brennkraftmaschine. Insbesondere ist der Kraftstoffinjektor 100 Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems.
-
Der Kraftstoffinjektor 100 weist ein mehrteilig ausgebildetes Injektorgehäuse 10 auf. Innerhalb des Injektorgehäuses 10 ist in einem Hochdruckraum 11 ein in einer Längsachse 12 hubbeweglich angeordnetes Einspritzglied 13 in Form einer Düsennadel 15 angeordnet. In der in der 1 dargestellten, abgesenkten Position der Düsennadel 15 verschließt diese zumindest mittelbar mehrere im Injektorgehäuse 10 ausgebildete Einspritzöffnungen 16. Dagegen werden die Einspritzöffnungen 16 in einer angehobenen Position der Düsennadel 15 zum Einspritzen des Kraftstoffs aus dem Hochdruckraum 11 freigegeben.
-
Auf der den Einspritzöffnungen 16 abgewandten Seite taucht der Endbereich der Düsennadel 15 in eine Bohrung 17 eines Ventilstücks 20 ein. Innerhalb der Bohrung 17 ist die Düsennadel 15 radial geführt. Zwischen einem an der Düsennadel 15 ausgebildeten Bund 21 und einer Stirnfläche des Ventilstücks 20 stützt sich eine Schließfeder 22 ab, die die Düsennadel 15 in die in der 1 gezeigte Schließstellung kraftbeaufschlagt. Ein ringförmiger Düsenraum 23 im Injektorgehäuse 10 ist über eine im Injektorgehäuse 10 ausgebildete Versorgungsbohrung 24 sowie einen nicht gezeigten Kraftstoffanschlussstutzen und eine Kraftstoffleitung 26 mit einem unter Hochdruck stehenden Kraftstoffspeicher 28 (Rail) verbunden.
-
Die in die Bohrung 17 hineinragende Stirnseite 29 der Düsennadel 15 begrenzt innerhalb der Bohrung 17 einen Steuerraum 30. Der Steuerraum 30 ist über einen mit der Versorgungsbohrung 24 hydraulisch gekoppelten Ringraum 31 sowie einen den Ringraum 31 mit dem Steuerraum 30 verbindenden Zuströmkanal 32 mit integrierter Zuströmdrossel ebenfalls mit Hochdruck bzw. dem Systemdruck des Kraftstoffs beaufschlagt. Von dem Steuerraum 30 geht darüber hinaus konzentrisch zur Längsachse 12 ein in dem Ventilstück 20 ausgebildeter Abströmkanal 35 aus. Der Abströmkanal 35 mündet in einen Niederdruckbereich 36 des Injektorgehäuses 10, welcher wiederum hydraulisch in einen Kraftstoffrücklauf 37 druckentlastbar ist.
-
Der Abfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum 30 über den Abströmkanal 35 in den Niederdruckbereich 36 des Injektorgehäuses 10 wird über einen Dichtsitz zwischen einer Sitzkante 38 eines Magnetankers 40 und einer Sitzfläche 41 am Ventilstück 20 gesteuert. Dabei ist in der in der 1 dargestellten abgesenkten Position des Magnetankers 40, bei der die Sitzkante 38 auf der Sitzfläche 41 aufsitzt, der Dichtsitz ausgebildet.
-
Der entlang der Längsachse 12 hubbeweglich angeordnete Magnetanker 40, dessen Längsachse 42 mit der Längsachse 12 zusammenfällt, ist Bestandteil eines druckausgeglichenen hydraulischen Steuerventils 50. Hierzu wirkt der Magnetanker 40 mit einer Magnetspule 46 zusammen, die innerhalb eines Magnetkerns 47 aufgenommen ist. Der Magnetkern 47 stützt sich axial an einem Gehäusedeckel 48 ab. Der Magnetanker 40 ist im Querschnitt hutförmig ausgebildet und weist auf der der Magnetspule 46 zugewandten Seite einen flachen Ankerabschnitt 49 auf, der auf der dem Ventilstück 20 zugewandten Seite in einen zylindrischen bzw. hülsenförmigen Abschnitt 51 mit gegenüber dem Ankerabschnitt 49 verringertem (Außen-)Durchmesser übergeht.
-
Der Magnetanker 40 weist eine zylindrisch ausgebildete Durchgangs- bzw. Führungsbohrung 53 auf, die der radialen Lagerung des Magnetankers 40 in einem Ankerbolzen 55 dient. Der Ankerbolzen 55 weist zumindest innerhalb der Führungsbohrung 53 einen ersten Abschnitt 56 auf, der über einen kegelstumpfförmigen Zwischenabschnitt 57 in einen gegenüber dem ersten Abschnitt 56 einen geringeren Durchmesser aufweisenden zweiten Abschnitt 58 übergeht. Der zweite Abschnitt 58 stützt sich wiederum axial an dem Gehäusedeckel 48 ab. Weiterhin ist der hülsenförmige Abschnitt 51 des Magnetankers 40 radial von einem Führungselement 61 umfasst, das insbesondere Bestandteil des Ventilstücks 20 sein kann.
-
Der Ankerbolzen 55, dessen Längsachse 59 konzentrisch zur Längsachse 12 der Düsennadel 15 und Längsachse 42 des Magnetankers 40 verläuft, ist in dem axialen Bereich zwischen dem Magnetanker 40 und dem Gehäusedeckel 48 radial von einer Druckfeder 65 umgeben. Zwischen dem Außenumfang des Ankerbolzens 55 und dem Innenumfang der Druckfeder 65 ist stets ein Radialspalt 67 ausgebildet. Die Druckfeder 65 übt unter Zwischenlage einer zwischen der Druckfeder 65 und dem Magnetanker 40 angeordneten Einstellscheibe 66 auf den Magnetanker 40 eine in dessen Schließrichtung wirkende Druckkraft F aus.
-
Wie insbesondere anhand der 2 erkennbar ist, verläuft die Längsachse 68 der Druckfeder 65 nicht konzentrisch zu den Längsachsen 42, 59 des Magnetankers 40 und des Ankerbolzens 55, sondern exzentrisch zu den Längsachsen 42, 59 um ein Maß e. Das Maß e beträgt beispielsweise zwischen 10% und 30% des Durchmessers d des Ankerbolzens 55 im Bereich des zweiten Abschnitts 58. Die exzentrisch zu den Längsachsen 42, 59 angeordnete Druckfeder 65 hat zur Folge, dass auch die Druckkraft F, die in Richtung der Längsachse 68 wirkt, exzentrisch zu den Längsachsen 42, 59 verläuft, wobei der Radialspalt 67 im Querschnitt sichelförmig ausgebildet ist. Dadurch werden von der Druckfeder 65 im Bereich der Führung zwischen dem Ankerbolzen 55 und der Führungsbohrung 53 im Magnetanker 40 sowie im Bereich des Führungselements 61 in Umfangsrichtung betrachtet unterschiedliche Reibwerte erzeugt.
-
Zur Erzeugung einer exzentrisch bzw. in einem Winkel zu den Längsachsen 42, 59, 68 verlaufenden Druckkraft F ist es entsprechend der Darstellung der 3 auch denkbar, die Einstellscheibe 66a beispielhaft mit zwei Stirnseiten 71, 72 zu versehen, wobei beispielhaft die eine Stirnseite 71 in einem Winkel α von beispielsweise zwischen 70° und 85°, d.h. nicht rechtwinklig zu den Längsachsen 42, 59, 68 verläuft. Die Stirnseite 71 ist dabei im Einbauzustand der Einstellscheibe 66a in Wirkverbindung mit der entsprechenden Stirnseite der Druckfeder 65 angeordnet. Wiederum alternativ kann es zur Erzeugung einer exzentrisch in Bezug zu den Längsachsen 42, 59, 68 wirkenden Druckkraft F vorgesehen sein, dass entsprechend der Darstellung der 4 die Druckfeder 65a zwei Stirnseiten 75, 76 aufweist, die beispielhaft jeweils nicht rechtwinklig zur Längsachse 42, 59, 68 verlaufen, beispielhaft in einem Winkel β zwischen 70° und 85°.
-
Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 100 bzw. das Steuerventil 50 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015223168 A1 [0002]
