DE3541938A1

DE3541938A1 - Magnetventil

Info

Publication number: DE3541938A1
Application number: DE19853541938
Authority: DE
Inventors: Christopher Howard Acton London Best; David Franz Churchdown Gloucester Lakin; Timothy Mark Wembley Simpkins
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1984-11-30
Filing date: 1985-11-27
Publication date: 1986-06-12
Anticipated expiration: 2005-11-28
Also published as: FR2574129A1; JPH0456194B2; GB8528641D0; DE3541938C2; ES549397A0; US4702212A; ES8700388A1; GB2168130B; GB8430259D0; IT1186122B; JPS61136076A; IT8523029A0; FR2574129B1; GB2168130A

Description

Magnetventil

Die Erfindung betrifft ein Magnetventil zur Steuerung des Kraftstoffaustritts aus der Pumpkammer einer Hochdruck-Kraftstoffeinspritzpumpe, deren Pumpkammer einen

damit verbundenen Auslaß aufweist, durch den der Kraftstoff bei einem Pumphub fließt, wenn das Magnetventil geschlossen ist.

Während des Betriebes der Pumpe wird dem Magnetventil elektrischer Strom über ein elektrisches Steuer- bzw. Regelsystem zugeführt, welches auf verschiedene Betriebsparameter der Brennkraftmaschine anspricht, welcher
der Kraftstoff zugeführt werden soll, und während des Einspritzhubes der Hochdruckpumpe wird das Ventil geschlossen, um die Kraftstoffeinspritzung einzuleiten, und dann wieder geöffnet, wenn die geforderte Kraftstoffmenge durch den Auslaß ausgegeben wurde. Es ist
daher wichtig, daß das Magnetventil so schnell wie
möglich von seiner Offenstellung in seine Schließstellung und umgekehrt gebracht werden kann, während
das Ventil gleichzeitig eine möglichst geringe Verlustleistung haben sollte.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Ventil anzugeben, mit dem die vorstehend angesprochenen Ziele einfach und bequem realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Magnetventil der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Magnetventil folgende Elemente umfasst: ein Ventilgehäuse, in dem eine Bohrung vorgesehen ist, ein Ventilelement, welches in der Bohrung gleitverschieblich angeordnet ist, eine Ventilkammer, in die das Ventilelement hineinragt, eine Auslaßöffnung, die in der Wand der Ventilkammer ausgebildet ist, einen Ventilsitz, der rings um die Auslaßöffnung definiert ist, wobei das Ventilelement zum Zusammenwirken mit dem Ventilsitz ausgebildet ist, einen Einlaßkanal, der mit der Kammer in Verbindung steht und im Gebrauch mit der Pumpkammer verbunden ist, eine Erregerwicklung, einen Anker, der der Erregerwicklung zugeordnet ist und in Wirkverbindung mit dem Ventilelement steht und dieses bei erregter Erregerwicklung gegen den Ventilsitz drückt, und eine Fläche, die an dem Ventilelement vorgesehen ist und auf die der Druck des in der Ventilkartuner befindlichen Kraftstoffs in der Offenstellung und in der Schließstellung des Magnetventils einwirken kann, um das Ventilelement in die Offenstellung zu drücken.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzpumpe mit zugehörigem Magnetventil und einem Steuerbzw. Regelsystem;

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Magnetventils gemäß der Erfindung , und

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt

durch eine weitere Ausführungsform eines Magnetventils gemäß der Erfindung.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Hochdruckpumpe mit einem Zylinder 10, in dem ein Pumpenkolben bzw. ein Stößel hin- und herbeweglich montiert ist, wobei der Stößel mit Hilfe einer von einem zugeordneten Motor angetriebenen Nocke (nicht dargestellt) angetrieben wird. In der Wand des Zylinders 10 ist eine Öffnung 12 vorgesehen, welche mit einer Kraftstoffquelle 13 in Verbindung steht, in der der Kraftstoff mit niedrigem Druck zur Verfügung steht - vorzugsweise ist die Quelle eine von der Brennkraftmaschine angetriebene Niederdruckpumpe.

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Mit dem Zylinder 10 steht ferner ein Auslaß 14 in Verbindung, der im Gebrauch mit einer Kraftstoffeinspritzdüse 15 der zugehörigen Brennkraftmaschine verbunden ist. Außerdem steht mit dem Zylinder 10 der Einlaß 16 eines Magnetventils 17 in Verbindung, dessen Auslaß mit einem Ablauf oder mit Einlaß oder Auslaß der Niederdruckpumpe - Quelle 13 - verbunden sein kann. Das Magnetventil umfasst eine Erregerwicklung, welcher ein elektrischer Strom über ein Steuer- bzw. Regelsystem 19 zugeführt werden kann,welches in bekannter Weise Signale empfängt, welche die verschiedenen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (Ist-Werte) und die gewünschten Betriebsparameter (Soll-Werte) anzeigen.

Im Betrieb wird bei geöffnetem Ventil 17, wenn sich der Stößel 11 nach oben und in den Zylinder 10 hineinbewegt , ein Punkt erreicht, an dem die Öffnung 12 geschlossen wird, und der Kraftstoff wird anschließend aus der durch den Zylinder 10 und den Stößel 11 definierten Pumpkammer durch das offene Ventil 17 verdrängt bzw. gefördert. Dabei wird kein Kraftstoff durch den Auslaß 14 ausgegeben, da die Einspritzdüse ein Druckventil mit einem federbelasteten Ventilelement enthält.

Wenn es erwünscht ist, der zügehörigen Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzuführen, wird das Ventil 17 geschlossen, und der Kraftstoff in der Pumpkammer wird auf den Druckpegel zusammengepresst, bei dem das Ventil der Einspritzdüse 15 geöffnet wird und damit den

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Kraftstofffluß zum zugeordneten Motor erlaubt. Wenn dann durch das System 19 entschieden wird, daß der Brennkraftmaschine eine ausreichende Kraftstoffmenge zugeführt wurde, wird das Magnetventil 17 geöffnet, woraufhin der Druck in der Pumpkammer absinkt und das Ventil der Einspritzdüse 15 geschlossen wird. Der Stößel 11 setzt dabei im allgemeinen seine Aufwärtsbewegung fort, und die aus der Pumpkammer verdrängte Kraftstoffmenge fließt nunmehr durch das Ventil 17 ab. Wenn der Stößel 11 das Ende seines Hubes erreicht und zurückkehrt, kann der Kraftstoff über das Ventil 17 in die Pumpkammer fließen; das Ventil 17 kann aber auch geschlossen werden, so daß nur dann Kraftstoff in den Zylinder 10 fließen kann, wenn die Öffnung 12 von dem Stößel 11 freigegeben wird.

Man sieht, daß das Schließen des Magnetventils 17 während des Einwärtshubes des Stößels 11 den Zeitpunkt des Beginns der Einspeisung von Kraftstoff zu der zugehörigen Brennkraftmaschine bestimmt und daß das Öffnen des Magnetventils die Unterbrechung des Kraftstoffflußes zur Brennkraftmaschine bestimmt. Zur Steuerung (Regelung) des Beginns der Kraftstoffeinspritzung und der eingespritzten Kraftstoffmenge ist es erforderlich, daß das Ventil 17 schnell und zuverlässig arbeitet.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Ventils gezeigt, und man erkennt, daß es ein Gehäuse 20 auf-

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weist, in dem eine Bohrung 21 ausgebildet ist, deren einer Endbereich eine Ventilkammer 22 definiert. Ausgehend von dem Endbereich der Kammer 22 öffnet sich ein Auslaß 23,und rings um diesen Auslaß 23 ist ein konischer Sitz 24 vorgesehen, welcher sich in Richtung auf das Innere der Kammer öffnet und zur Auslaßseite hin verjüngt. Außerdem öffnet sich in die Kammer 22 ein Einlaßkanal 25, der mit dem Einlaß 16 des Ventils 17 verbunden ist, während der Auslaß 23 mit dem Auslaß 18 des Ventils 17 verbunden ist.

In der Bohrung 21 ist gleitverschieblich ein Ventilelement 26 angeordnet, welches sich durch die Kammer erstreckt und zum Zusammenwirken mit dem Sitz 24 ausgebildet ist. Der im Inneren der Kammer befindliche Teil des Ventilelements besitzt einen verringerten Durchmesser, um eine RingfIäche27 zu definieren, die dem Druck in der Kammer 22 unabhängig davon ausgesetzt ist, ob das Ventil offen oder geschlossen ist. Das Ventilelement 26 ist mit einem Ausgangselement 28 einer elektromagnetischen Vorrichtung 29 verbunden, welche eine Erregerwicklung enthält, die auf eine Magnetkernanordnung gewickelt ist, und die einen Anker umfasst, welcher bei Erregung der Erregerwicklung das Ausgangselement 28 und das Ventilelement 2 6 in die in der Zeichnung gezeigte Position bewegt, in der das Ventilelement 26 an dem konischen Ventilsitz 24 anliegt und damit einen Kraftstofffluß durch den Auslaß 2 3 verhindert. In dieser Position des Ventilelements haben die Luft-

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spalte zwischen den PoIflachen des Ankers und den Polflächen der Statoranordnung ihre geringste Breite.

Wenn sich das Ventilelement in seiner Schließstellung befindet und während der Einwärtsbewegung des Pumpstößels 11 nach dem Schließen der Öffnung 12 ist der Druck in der Ventilkammer 22 extrem hoch und entspricht dem Einspritzdruck des Kraftstoffes. Dieser Druck wirkt auf die Ringfläche 27, wodurch eine Kraft entsteht, die die- Tendenz hat, das Ventilelement 2 6 von seinem Sitz 24 abzuheben. Dieser Kraft wird von derjenigen Kraft entgegengewirkt, die von der elektromagnetischen Vorrichtung 2 9 geschaffen wird, und da die oben erwähnten Luftspalte eine minimale Breite haben, hat die von der Vorrichtung 29 erzeugte Kraft ihren Maximalwert. Wenn die Erregerwicklung entregt wird, drückt die Kraft, welche auf die Ringfläche 27 wirkt, das Ventilelement 26 von dem Sitz 24 weg,und dem Anker der Vorrichtung 29 wird folglich eine entsprechende Bewegung erteilt. Der Kraftstoff fließt daher mit einer hohen Geschwindigkeit durch den ringförmigen Spalt, welcher zwischen dem Sitz 24 und dem Ventilelement 2 6 definiert ist. Die KraftstoffStrömung erzeugt an dem Ventilelement 2 eine Kraft, welche in axialer Richtung wirkt und die Kraft unterstützt, welche die Tendenz hat, das Ventil zu öffnen, nämlich die Druckkraft in der Kammer 22, welche auf die Ringfläche 27 wirkt. Das Ventil bewegt sich daher schnell in seine Offenstellung, während der Druck in der Kammer 22 schnell abfällt, wodurch ein schneller Druckabfall in der Pumpkammer erreicht wird.

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Wenn während der Einwärtsbewegung des Pumpstößels 11 bei geschlossener Öffnung 12 die Kraftstoffeinspritzung eingeleitet werden soll, wird die Erregerwicklung der Vorrichtung 29 erregt. In dieser Situation ist der Druck in der Kammer 22 vergleichsweise niedrig, so daß die Druckkraft, welche auf die Ringfläche 27 wirkt, ebenfalls vergleichsweise niedrig ist. Während sich das Ventilelement in Richtung auf die Schließstellung bewegt, steigt der Druck in der Kammer 22 aufgrund der zunehmenden Verringerung des Strömungsquerschnitts für die Kraftstoffströmung an. Die Breite der Luftspalte der Vorrichtung 29 verringert sich jedoch im Verlauf der Bewegung des Ventilelements 26 in seine Schließstellung, so daß die Vorrichtung 29 trotzdem eine zunehmend größere Kraft erzeugt, die ausreicht, um die durch den Flüssigkeitsdruck an der Ringfläche 27 erzeugte Kraft sowie die axiale Komponente der Kraft zu überwinden, die durch die Kraftstoffströmung in dem kleiner werdenden Spalt zwischen dem Ventilelement 26 und dem Ventilsitz 2 4 erzeugt wird. Das Ventilelement 26 kann somit in seine Schließstellung bewegt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magnetventils 17 gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt, wo entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind wie in Fig. 2. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 erstreckt sich das Ventilgehäuse 20 über den Auslaß 23 hinaus, wobei letzterer durch eine Bohrung

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31 definiert ist, deren Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung 21. Ausgehend von der Bohrung 31 sind Kanäle 32 vorgesehen, welche die Auslässe des Ventils bilden. Zusätzlich ist das Ventilelement 33 mit einer Verlängerung 34 versehen, die ein Teilstück 34A aufweist, welches von dem Ventilsitz 24 abgewandt ist und mit geringem Spiel von der Bohrung 31 aufgenommen wird, wobei jedoch derjenige Teil des Ventilelements 33, welcher unmittelbar stromabwärts von dem mit dem Ventilsitz 24 zusammenwirkenden Teil desselben vorgesehen ist, ein Teilstück 34B verringerten Durchmessers bildet. Das Teilstück 34B verringerten Durchmessers erweitert sich nach außen auf den Durchmesser des Teilstücks 34A. Die Verlängerung 34 ist mit dem Ausgangselement 35 der elektromagnetischen Vorrichtung 36 verbunden, welche in diesem Fall das Ventilelement 33 in seine Schließstellung zieht, wenn seine Erregerwicklung erregt wird. Aus Fig. 3 wird ferner deutlich, daß der Einlaßkanal 25, welcher mit der Kammer 22 verbunden ist, in diese unter einem Winkel bezüglich der Achse 37 des Ventilelements 33 eintritt und daß die Kanäle 32 unter einem rechten Winkel zur Achse 37 verlaufen. Die Neigung des Kanals 25 ist so gewählt, daß der Kraftstofffluß durch diesen Kanal das Schließen des Ventilelements 33 gegen seinen Ventilsitz 2 4 nicht behindert. Eine entsprechende Neigung des Einlaßkanals kann auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 vorgesehen werden. Wie oben ausgeführt, ergibt sich für das Ventilelement in der Schließstellung insofern, als der Druck in der Ventilkammer 22

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betroffen ist, kein Druckausgleich. Auch im Falle des in Fig. 2 gezeigten Ventils ergibt sich insofern, wie der Druck am Auslaß 23 betroffen ist, kein Ausgleich. Das Ventilelement hat somit eine natürliche Tendenz zu öffnen, wodurch die Notwendigkeit für die Verwendung einer Öffnungsfeder vermieden wird.

Die Öffnungsgeschwindigkeit des Vent i le lenient s hängt zumindest in der Anfangsphase von dem Druck in der Kammer 22 ab. Der Druck hängt seinerseits von der Geschwindigkeit der zugeordneten Brennkraftmaschine ab, und daher hängt die Geschwindigkeit, mit der das Ventil öffnet, von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab. Es gibt jedoch eine untere Grenze für diesen Druck, welche durch den Öffnungsdruck der Einspritzdüse bestimmt wird. Die Tatsache, daß die Öffnungsgeschwindigkeit von der Drehzahl abhängt, ist insofern nützlich, als sie bedeutet, daß die Ventil-Öffnungszeit, gemessen in Winkel-Graden der Drehung der Kurbelwelle, im wesentlichen konstant bleibt.Die tatsächlich für das Öffnen des Ventils verfügbare Kraft hängt von der Ringfläche 27 ab, und es ist sehr leicht möglich, diese Fläche bei der Herstellung des Ventilelements so zu ändern, daß die Öffnungskraft unabhängig vom Strömungsquerschnitt des Ventils ist.

Claims

HOEGER,"3T"ELLR"ECHT& "PARTNER 3541938

PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 c · D 7000 STUTTGART 1

A 46 858 b Anmelder: Lucas Industries p.I.e. k - 176 Great King Street

26. November 1985 Birmingham B19 2XF

Großbritannien

Patentansprüche

Magnetventil zur Steuerung des Kraftstoffaustritts aus der Pumpkammer einer Hochdruck-Kraftstoffeinspritzpumpe , deren Pumpkammer einen damit

verbundenen Auslaß aufweist/ durch den der Kraftstoff bei einem Pumphub fließt, wenn das Magnetventil geschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil (17) folgende Elemente umfasst:

ein Ventilgehäuse (20), in dem eine Bohrung (21) vorgesehen ist,

ein Ventilelement (26), welches in der Bohrung (21) gleitverschieblich angeordnet ist, eine Ventilkammer (22), in die das Ventilelement (2 6) hineinragt,

eine Auslaßöffnung (2 3), die in der Wand der Ventilkammer (22) ausgebildet ist, einen Ventilsitz (24), der rings um die Auslaßöffnung (2 3) definiert ist, wobei das Ventilelement (26) zum Zusammenwirken mit dem Ventilsitz (24) ausgebildet ist,

einen Einlaßkanal (25), der mit der Kammer (22) in Verbindung steht und im Gebrauch mit der Pumpkammer verbunden ist,

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eine Erregerwicklung,

einen Anker, der der Erregerwicklung zugeordnet ist und in Wirkverbindung mit dem Ventilelement steht und dieses bei erregter Erregerwicklung gegen den Ventilsitz (24) drückt,

und eine Fläche (27) , die an dem Ventilelement (26) vorgesehen ist und auf die der Druck des in der Ventilkammer (22) befindlichen Kraftstoffs in der Offenstellung und in der Schließstellung des Magnetventils (17) einwirken kann, um das Ventilelement (2 6) in die Offenstellung zu drücken.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Ventilelement (2 6) definierte Fläche als Ringfläche (27) an einer Stufe ausgebildet ist, die zwischen einem in der Bohrung (21) gleitverschieblichen Teilstück des Ventilelements (26) und einem Teilstück verringerten Durchmessers desselben vorgesehen ist.
3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ventilsitz (24) in Fließrichtung des durch die Auslaßöffnung (23) aus der Ventilkammer (22) fließenden Kraftstoffs konisch verjüngt, so daß durch den Kraftstofffluß auf das Ventilelement (26) eine Reaktionskraft ausgeübt wird, durch die das Ventilelement (26) mit einer in Richtung auf seine Offenstellung wirkenden Kraft beaufschlagt wird.

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4. Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Auslaß durch eine weitere Bohrung in dem Gehäuse (20) definiert ist, wobei diese weitere Bohrung einen kleineren Durchmesser hat als die erste Bohrung (21) , daß das Ventilelement (33) eine Verlängerung (34) aufweist, welche bis in die weitere Bohrung hineinreicht, daß der von dem Ventilsitz (2 4) abgewandte Teil (34a) der Verlängerung (34) bezüglich der weiteren Bohrung einen Arbeitsspalt besitzt, und daß derjenige Teil (34B) der Verlängerung (34) , der zwischen diesem äußeren Teil (34a) und dem mit dem Ventilsitz (24) zusammenwirkenden Teil (33) des Ventileleraents (33) liegt, einen verringerten Durchmesser aufweist, und daß von der weiteren Bohrung ein Auslaß (32) ausgeht.
5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (25) gegenüber der Bewegungsachse des Ventilelements (33) geneigt ist.
6. Ventilelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer (22) einerseits durch die Wand der Bohrung (21) und andererseits durch das Teilstück verringerten Durchmessers des Ventilelements (2.6) definiert ist.
7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (21) angrenzend an den Ventilsitz (24) erweitert ist.