DE19914713C2 - Druckbeaufschlagte Stelleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung mit einem Ge­ häuse, das einen Steuerraum zur Aufnahme eines Mediums und eine mit dem Steuerraum in Verbindung stehende Führungsboh­ rung aufweist, und einem Stellglied, das in der Führungsboh­ rung geführt ist und auf der dem Steuerraum zugewandten Flä­ che von dem im Steuerraum befindlichen Medium druckbeauf­ schlagt wird. Im Gehäuse ist ein Ringkanal konzentrisch zur Führungsbohrung in einem sich an den Steuerraum anschließen­ den Bereich ausgebildet, der mit dem Steuerraum in einer ständigen Druckverbindung steht.

Solche Stelleinrichtungen werden z. B. in Kraftstoffinjek­ toren als Steuermodule zum Öffnen und Schließen einer Ein­ spritzdüse bzw. als Einspritzdüse selbst eingesetzt. Beim Einsatz in einen Kraftstoffinjektor wird das Stellglied in der Stelleinrichtung über den Steuerraum mit dem Kraftstoff­ druck beaufschlagt. Um zu verhindern, daß eine Kraft­ stoffleckage aus dem Steuerraum über die Führungsbohrung auf­ tritt, sind das Stellglied und die Führungsbohrung so aufein­ ander abgestimmt, daß nur ein geringer Dichtspalt bleibt. In der Fahrzeugtechnik werden jedoch zunehmend Speicherein­ spritzsysteme verwendet, bei denen mit einem sehr hohen Kraftstoffdruck gearbeitet wird. Dieser hohe Kraftstoffdruck kann dazu führen, daß sich der Dichtspalt zwischen Führungs­ bohrung und Stellglied verbreitert, wodurch eine verstärkte Kraftstoffleckage auftritt. Bei einem Kraftstoffdruck von 1500 bar wurden z. B. bei einem Gehäuse aus Chrom-Nickel ra­ diale Verbreiterungen der Führungsbohrung bis zum 4-fachen der ursprünglichen Spaltbreite festgestellt.

Aus der DE 94 17 852 U1 ist eine Kolben-Zylinder-Einheit be­ kannt, bei der in einem Gehäuse ein Steuerraum und eine mit dem Steuerraum in Verbindung stehende Führungsbohrung vorge­ sehen ist, in der ein Stellglied geführt wird, das auf der dem Steuerraum zugewandten Fläche mit einem Medium Druck be­ aufschlagt wird. Weiterhin sind in der Führungsbohrung nut­ förmige ausgeformte Ringkanäle vorgesehen, die als Entlas­ tungsnuten dienen, um eine Anlage des Kolbens in der Füh­ rungsbohrung zu verhindern.

Aus der DE 21 09 592 B ist eine weitere Kolben-Zylinder- Einheit bekannt, die insbesondere auch in Brennkraftmaschinen eingesetzt wird, bei der ein Kolben in einem Steuerraum mit Kraftstoffdruck beaufschlagt wird, wobei der Kolben in einer Führungsbohrung beweglich angeordnet ist. In dieser Führungs­ bohrung sind weiterhin Ringnuten vorgesehen, die eine Verbin­ dung nach Außen durch das Gehäuse herstellen, um einen Sperr­ mediumkreislauf zu erzeugen, der eine Leckage von Kraftstoff aus dem Steuerraum über die Führungsbohrung verhindern soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stellein­ richtung bereitzustellen, die auch bei einer Beaufschlagung der Stellgliedführung mit hohem Druck für eine zuverlässige Abdichtung der Führung gegen Leckage sorgt.

Diese Aufgabe wird durch eine Stelleinrichtung gemäß Patentan­ spruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den ab­ hängigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung weist in einem Ge­ häuse einen Ringkanal auf, der konzentrisch zur Führungsboh­ rung in einem sich an den Steuerraum anschließenden Bereich angeordnet ist und mit dem Steuerraum in einer ständigen Druckverbindung steht. Dieser Ringkanal sorgt dafür, daß am druckbeaufschlagten Ende der Stellgliedführung die Führungs­ bohrungswandung druckausgeglichen ausgelegt ist, so daß auch beim Anlegen eines sehr hohen Drucks keine radiale Ausweitung des Dichtspalts auftritt. Bei einer geeigneten Kanaltiefe und einer entsprechend abgestimmten Dicke der Wandung kann zwi­ schen Führungsbohrung und Ringkanal eine zusätzliche Verrin­ gerung des Dichtspalts erreicht werden. Im Dichtspalt nimmt der Druck mit zunehmenden Abstand vom Steuerraum ab, wodurch sich eine Druckdifferenz gegenüber dem Druck im Ringkanal einstellt, die dann dafür sorgt, daß die Wandung zwischen der Führungsbohrung und dem Ringkanal nach innen gedrückt wird, so daß sich der Dichtspalt verringert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Stelleinrichtung als Steuer­ modul, wobei

Fig. 1A einen Querschnitt durch das gesamte Steuermodul,

Fig. 1B einen Ausschnitt des druckbeaufschlagten Steuermo­ duls,

Fig. 1C einen Querschnitt durch einen Führungsbereich ohne Stellglied und

Fig. 1D eine Draufsicht auf den Führungsbereich ohne Stellglied zeigen,

Fig. 2 einen Vergleich der erfindungsgemäßen Steuermodule mit herkömmlichen Steuermodulen in bezug auf die auftretende Leckage und

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Stelleinrichtung als Kraft­ stoffeinspritzdüse.

In den Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Stel­ leinrichtung dargestellt, wie sie als Steuermodul in einem Kraftstoffinjektor eingesetzt wird. Das Steuermodul dient da­ bei als Servoventil zum hydraulischen Öffnen und Schließen einer Einspritzdüse im Kraftstoffinjektor.

Wie Fig. 1A schematisch zeigt, weist das Steuermodul ein zylindrisches Steuermodulgehäuse 1 auf, das zweiteilig ausge­ legt ist. Der obere Gehäuseteil 11 dient als Steuerraumge­ häuse und enthält einen Steuerraum 2, der über Verbindungs­ bohrungen (nicht gezeigt) mit unter Druck stehendem Medium gefüllt werden kann. Der untere Gehäuseteil 12 dient als Füh­ rungsgehäuse und weist eine durchgehende zylindrische Füh­ rungsbohrung 3 auf, die dreistufig ausgeführt ist, wobei die beiden äußeren Bohrungsabschnitte 31, 33 einen größeren Durchmesser als der mittlere Bohrungsabschnitt 32 besitzen. Der obere Führungsbohrungsabschnitt 31, der sich an den Steu­ erraum 2 anschließt, weist weiterhin im Übergangsbereich zum mittleren Führungsbohrungsabschnitt 32 einen umlaufenden Ringkanal 34 auf, so daß im Bereich der mittleren Führungs­ bohrung 32, der sich an den oberen Führungsbohrungsabschnitt 31 anschließt, eine freistehende Wandung 13 ausgebildet ist.

In der Führungsbohrung 3 ist weiterhin ein als zylindri­ scher Kolben ausgebildetes Stellglied 4 beweglich angeordnet, das im mittleren Führungsbohrungsabschnitt 32 geführt wird, wobei zwischen der Wandung der mittleren Führungsbohrung 32 und der Wandung des Kolbens 4 ein Führungsspiel vorgesehen ist. Der Kolben 4 wird auf seiner oberen Stirnfläche 41 mit dem im Steuerraum 2 herrschenden Druck des Mediums beauf­ schlagt. Die untere, sich in dem unteren Führungsbohrungsab­ schnitt 33 erstreckende Stirnfläche 42 des Kolbens 4 steht in einer Wirkverbindung mit der Einspritzdüse (nicht gezeigt) im Kraftstoffinjektor.

Bei dem in den Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Steuer­ modul ist es Zielsetzung zu verhindern, daß eine Leckage von Medium über das Führungsspiel zwischen dem Kolben 4 und der Führungsbohrung 3, insbesondere dann, wenn das Medium unter einem sehr hohen Druck steht, auftritt. Dies wird, wie insbe­ sondere die Detailansicht in Fig. 1B zeigt, durch den Ringka­ nal 34 erreicht, der über den oberen Führungsbohrungsab­ schnitt 31 mit dem Steuerraum 2 in Verbindung steht, wodurch der Ringkanal 34 mit Medium unter Systemdruck gefüllt wird. Dies bewirkt einen Druckausgleich auf die freistehende Wan­ dung 13, so daß eine Aufweitung des Führungsspiels aufgrund des vom Medium ausgeübten Systemdrucks verhindert wird. Wei­ terhin sorgt der Druck des Mediums im Ringkanal 34 für eine zusätzliche Verengung des Führungsspiels zwischen der frei­ stehenden Wandung 13 und dem Kolben 4 in einem Ansatzbereich X der freistehenden Wandung 13. Grund hierfür ist, daß im Spalt zwischen dem Kolben 4 und der freistehenden Wandung 13 der Druck mit zunehmendem Abstand vom Steuerraum 2 abnimmt, so daß eine Druckdifferenz gegenüber dem im Ringkanal 34 herrschenden Druck entsteht. Diese Druckdifferenz sorgt da­ für, daß die freistehende Wandung 13 im Bereich X nach innen gedrückt wird, wodurch sich der Spalt zwischen dem Kolben 4 und der freistehenden Wandung 13 verengt.

Fig. 2 zeigt einen Vergleich der auftretenden Dauerleckage bei einem herkömmlichen Steuermodul und einem erfindungsgemä­ ßen Steuermodul bezogen auf den angelegten Systemdruck. Das Modulgehäuse wurde dabei aus Chrom-Nickel gefertigt, wobei beim herkömmlichen Steuermodul ein Kolben mit einem engen Führungsspiel von 2,0 bis 2,5 µm eingesetzt wurde. Das erfin­ dungsgemäße Steuermodul war mit einem Ringkanal in der in Fig. 1 gezeigten Ausführung versehen und wies ein Führungs­ spiel zwischen dem Steuerkolben und der Führungsbohrung von 3,5 bis 4 µm auf. Es wurde festgestellt, daß bei einem Sy­ stemdruck von 1500 bar eine Ausweitung des Führungsspiels um das 4-fache bei dem herkömmlichen Steuermodul auftrat, was zu einem sehr hohen Dauerleckagestrom von über 120 ml/min führ­ te. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Steuermoduls konnte dieser Dauerleckagestrom auf 1/7 des Wertes des her­ kömmlichen Steuermoduls vermindert werden.

Eine weitere Optimierung der Dauerleckage bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des Steuermoduls kann dadurch er­ reicht werden, daß im Ansatzbereich X der freistehenden Wan­ dung 31 eine Reduzierung der Wandstärke ausgeführt wird, die zu einem verstärkten Eindrücken dieses Ansatzbereichs auf­ grund der Druckdifferenz zwischen dem Ringkanal 33 und dem mittleren Führungsbohrungsabschnitt 32 und damit zu einer verbesserten Abdichtung führt.

Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung kann auch, wie in Fig. 3 gezeigt ist, als Einspritzdüse ausgeführt werden. In dieser Ausführung weist die Einspritzdüse einen Düsenkörper 100 auf, in dem eine Führungsbohrung 300, ein Steuerraum 200 und eine Nadelschaftbohrung 210 ausgeführt sind. Der Steuer­ raum 200 ist weiterhin über eine Zulaufbohrung 220 an eine Kraftstoffversorgung angeschlossen. In der Führungsbohrung 300 wird ein Führungsschaft 410 einer Düsennadel 400 geführt. An den Führungsschaft 410 der Düsennadel 400 schließt sich über eine Druckschulter 420 ein Nadelschaft 430 an, der in der Nadelschaftbohrung 210 angeordnet ist und an seinem vor­ deren Ende einen Sitzkegel 440 trägt. Der Sitzkegel 440 der Düsennadel 400 hat einen Sitz in einer konischen Düsenkuppe 110 des Düsenkörpers 100. In der Düsenkuppe 110 sind weiter­ hin Kraftstoffeinspritzlöcher 230 ausgeführt. Die gezeigte Einspritzdüse stellt eine sogenannte Sitzlochdüse dar.

Im Ruhezustand wird eine Haltekraft auf den Führungsschaft 410 der Düsennadel 400 ausgeübt, so daß der Sitzkegel 440 der Düsennadel 400 auf der Düsenkuppe 110 aufsitzt und die Kraft­ stoffeinspritzlöcher 230 verschließt. Zum Einspritzen wird durch geeignete Ansteuerung die Haltekraft auf den Führungs­ schaft 410 reduziert, so daß die im Steuerraum 210 vom Kraft­ stoffdruck auf die Druckschulter 420 ausgeübte Kraft die Dü­ sennadel 400 gegen die Haltekraft auf den Führungsschaft 410 verschiebt und so den Sitzkegel 440 von der Düsenkuppe 110 abhebt, wodurch Kraftstoff aus dem Steuerraum 200 über die Nadelschaftbohrung 210 und die Kraftstoffeinspritzlöcher 230 in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors eingespritzt wer­ den kann.

Um eine Kraftstoffleckage aus dem Steuerraum 200 über die Führungsbohrung 300 zu verhindern, ist konzentrisch zur Füh­ rungsbohrung ausgehend vom Steuerraum 200 ein Ringkanal 310 im Düsenkörper 100 ausgeführt. Hierdurch wird parallel zum Führungsschaft 410 der Düsennadel 400 in einem an den Steuer­ raum 200 anschließenden Bereich des Düsenkörpers 100 eine freistehende Wandung 120 ausgebildet, die als eine Art Dicht­ lippe wirkt. Der im Ringkanal 310 sich einstellende Kraft­ stoffdruck sorgt dafür, daß es auch bei einem Kraftstoff­ einspritzdruck bis über 1600 bar zu keiner Aufweitung des Führungsspiels zwischen der Führungsbohrung 300 und dem Füh­ rungsschaft 410 der Düsennadel 400 kommt. Statt dessen wird die freistehende Wandung 120 an ihrem Ansatzbereich X durch den Kraftstoffdruck nach innen gedrückt, so daß sich eine Verringerung des Führungsspiels und eine verbesserte Ab­ dichtung ergibt.

Claims (5)

1. Stelleinrichtung mit
einem Gehäuse (1, 100), das einen Steuerraum (2, 200) zur Aufnahme eines Mediums und eine mit dem Steuerraum in Verbin­ dung stehende Führungsbohrung (3, 300) aufweist, und
einem Stellglied (4, 400), das in der Führungsbohrung ge­ führt und auf der dem Steuerraum zugewandten Fläche (41, 420) von dem im Steuerraum befindlichen Medium druckbeaufschlagt wird,
wobei im Gehäuse (1, 100) ein Ringkanal (34, 310) konzen­ trisch zur Führungsbohrung (3, 300) in einem sich an den Steuerraum anschließenden Bereich ausgebildet ist, der mit dem Steuerraum in einer ständigen Druckverbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine freistehende Wandung (13, 120) zwischen dem Ringkanal (34, 310) und der Führungsbohrung (3, 300) so ausgelegt ist, daß eine Verengung eines Führungsspiels zwischen der Führungsbohrung (3, 300) und dem Stellglied (4, 400) in einem Dichtungsbereich (X) der Wandung aufgrund einer Differenz zwischen dem in der Führungsbohrung (3, 300) und dem im Ringkanal (34, 310) herrschenden Druck auftritt.

2. Stelleinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tiefe des Ringkanals (34, 310) und eine Dicke der Wandung (13, 300) so abgestimmt ist, daß sich die Verengung des Führungsspiels zwischen der Führungsbohrung (3, 300) und dem Stellglied (4, 400) in dem Dichtungsbereich (X) der Wan­ dung (13, 300) ergibt.

3. Stelleinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Dichtungsbereich (X) der Wandung (13, 300) in einem Bereich liegt, in dem die Wandung an das Gehäuse (1, 100) ansetzt.

4. Stelleinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die als Steuermodul in einem Kraftstoffinjektor zum Öffnen und Schließen einer Einspritzdüse eingesetzt wird.

5. Stelleinrichtung gemäß gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die als Einspritzdüse in einem Kraftstoffinjektor eingesetzt wird.