EP0923672B1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

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EP0923672B1
EP0923672B1 EP98921340A EP98921340A EP0923672B1 EP 0923672 B1 EP0923672 B1 EP 0923672B1 EP 98921340 A EP98921340 A EP 98921340A EP 98921340 A EP98921340 A EP 98921340A EP 0923672 B1 EP0923672 B1 EP 0923672B1
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valve
pressure
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actuator
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Klaus-Peter Schmoll
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M2547/00—Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M2547/003—Valve inserts containing control chamber and valve piston

Definitions

  • the invention relates to a valve for controlling liquids according to the preamble of claim 1.
  • a valve for controlling liquids according to the preamble of claim 1.
  • EP-A-0 816 670 such a valve is known.
  • the actuating piston of the Valve member in a part of a smaller diameter Stepped bore arranged tightly displaceable, whereas an in Diameter of larger pistons that are moved with the piezo actuator, arranged in a larger diameter part of the stepped bore and is sealed to the outside by an elastic seal is.
  • control valve according to the invention with the features of Characteristic of claim 1 has the opposite Advantage that the lekage is reduced.
  • advantages are simplicity and value for money Solution.
  • variety of Possible solutions to the proposal are the selection of those for the the cheapest variants for different applications.
  • FIG. 1 shows a fuel injection valve in section
  • Figure 2 a as a movable wall Coupling space working piston with an end 3 shows a piston arrangement on a coupling space
  • Figure 4 shows a piston arrangement on another Coupling space
  • Figure 5 is a differently shaped front Recess
  • Figure 6 a piston with a pressed Ring
  • Figure 7 shows another annular space arrangement on a piston
  • Figure 8 shows another ring shape.
  • the valve according to the invention is used in a Fuel injection valve, which in the main in Section is shown in Figure 1.
  • This injector has a valve housing 1, in which in a longitudinal bore 2 a valve needle 3 is guided. On her one The end is the valve needle with a conical sealing surface 4 provided at the tip 5 projecting into the combustion chamber of the valve housing cooperates with a seat 6, of which lead out of injection openings that into the interior of the Injection valve, here with the valve needle 3 surrounding fuel-filled annular space under injection pressure 7 connect to the combustion chamber so as to close an injection complete when the valve needle is lifted from its seat Has.
  • the annular space is connected to a further pressure space 8, who is constantly in connection with a pressure line 10 stands over which the fuel injector from one High-pressure fuel accumulator 9 Fuel under injection pressure is fed.
  • This high fuel pressure also works in the pressure chamber 8 and there on a pressure shoulder 11, over the nozzle needle in a known manner at suitable Conditions can be lifted off their valve seat.
  • valve needle At the other end of the valve needle is in a cylinder bore 12 out there and closes with its end face 14 a control pressure chamber 15, which via a throttle connection 16 with is constantly connected to an annular space 17 which like the pressure chamber 8 always with the high-pressure fuel reservoir communicates.
  • Axial leads from the control pressure chamber 15 a throttle bore 19 to a valve seat 20 of a control valve 21.
  • a valve seat 20 acts Valve member 22 of the control valve 21 together, which is lifted off State a connection between the control pressure chamber 15 and a relief room.
  • valve member 22 is in the closing direction by a compression spring 24, So acted on the valve seat 20, so that in the normal position of the control valve this connection of Control pressure chamber 15 is closed. Because the front Area of the valve needle in the area of the control pressure chamber is larger than the area of the pressure shoulder 11, the holds same fuel pressure in the control pressure chamber that in the Pressure chamber 8 prevails, now the valve needle in the closed Position. If the valve member 22 is lifted, however the pressure in the control pressure chamber 15 is relieved due to the throttling effect of the throttle connection 16. In the now missing valve force opens the valve needle quickly and can, on the other hand, be brought into the closed position as soon as the valve member 22 comes back into the closed position. From at this point, the throttle 16 then builds up quickly the original high fuel pressure in the control pressure chamber 15 back on.
  • the control valve has one to it Actuation determined piston 25 on the valve member 22 acts.
  • the piston 25 is in a guide bore 28 tightly guided and limited with its end face 29 Coupling space 30, which on its opposite wall of completed an actuator piston 31 of larger diameter which is part of a piezo actuator 32. Both pistons 25 and 31 are tightly guided in their holes.
  • the coupling space 30 serves because of the different piston surfaces two pistons 25 and 31 as a pressure booster chamber in which he a design-related small stroke of the piezo actuator piston 31 in a larger stroke of the control valve 21st actuating piston 25 translated.
  • the pressure is present in the coupling space 30. From the pressure difference that results from outside and inside forces Expansion capacity of the piston depending on the Coupling space 30 prevailing pressure.
  • Figure 2 is represented by vectors 36, as in the case of pressure the course of force takes place. It can be spotted, that in the area of the end face 29 the deformability of the Piston and thus one resulting from this deformation Widening of the piston is greatest. From the expansion the piston 25 results in a sealing force that is close the face where the greatest sealing problems occur, is greatest. The one widened by the pressure The outer surface of the piston 25 has the reference number 37 Mistake. It can be seen that with the help of the invention Contact pressure amplification device 35 a reliable Leka reduction is achieved.
  • FIG. 3 shows the coupling space 30 with the two pistons 25 and 31, both with a blind bore 33 and 34, respectively are provided.
  • the two pistons 33 and 34 are on the same axis 38.
  • Figure 4 it is shown that the Axes of the two pistons can also be offset in parallel, to save overall height.
  • a coupling room carries the Reference number 39.
  • Figure 5 shows that it is also possible instead a cylindrical blind bore 33 or 34 as a contact pressure intensifying device 40 a concave version 41 in the To bring end face 29 of a piston 42.
  • in 6 shows a piston type, in which a Piston 43 on its piston head 44 with a pressed-on, preferably shrunk ring 45 is equipped.
  • This Ring 45 has a front internal recess 46 which is hollow cylindrical is formed so that an annular cylindrical Edge 47 arises in the manner of an annular sealing lip is relatively easy to expand. So here is one Contact pressure amplification device 48 created.
  • Figure 8 finally treats one like a piston ring slotted ring 54 which is cylindrical on the outside and its Inner ring surface 55 one of a coupling space 56 to has increasing cross-section at the back, that is, conical is.
  • the inner ring surface 55 here Contact pressure amplification device 57.

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Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, das zu seiner Betätigung mit einem flüssigkeitsgefüllten Kopplungsraum (30) versehen ist, der zwischen einem Aktorkolben (31) eines Piezoaktors (32) und einem ein Ventilglied (22) betätigenden Kolben (25) angeordnet ist. Zur Verminderung der Gefahr einer Lekage sind die beiden den Kopplungsraum (30) zwischen sich einschließenden Kolben (25, 31) mit einer Anpressdruckverstärkungseinrichtung (35) ausgerüstet, die ein Aufspreizen des Aktorkolbens (31) und/oder des das Ventilglied (22) betätigenden Kolbens (25) im Bereich ihrer Stirnflächen (29) ermöglicht. Das Ventil ist zur Anwendung bei Kraftstoffeinspritzeinrichtungen für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen bestimmt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der Gattung des Patentanspruches 1. Durch die EP-A-0 816 670 ist ein solches Ventil bekannt. Dort ist der Betätigungskolben des Ventilglieds in einem im Durchmesser kleineren Teil einer Stufenbohrung dicht verschiebbar angeordnet, wogegen ein im Durchmesser größerer Kolben, der mit dem Piezoaktor bewegt wird, in einem im Durchmesser größeren Teil der Stufenbohrung angeordnet ist und dort nach außen durch eine elastische Dichtung abgedichtet ist. Zwischen beiden Kolben ist ein hydraulischer Raum eingespannt, derart, daß, wenn der größere Kolben durch den Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird, der Betätigungskolben des Ventilglieds um einen um das Übersetzungsverhältnis der Stufenbohrungsdurchmesser vergrößerten Weg bewegt wird. Zur Rückstellung des größereh Kolbens ist ferner eine Druckfeder im hydraulischen Raum angeordnet, die in eine Ausnehmung des größeren Kolbens hinein komprimierbar ist, derart, daß der hydraulische Raum klein gehalten werden kann. Bei solchen Ventilen ist der Druck im Kopplungsraum sehr hoch, so daß dieser radial ausdehnt und dann leicht eine Lekage z. B. bei dem Betätigunhgskolben eintritt. Eine Lekage hat zur Folge, daß der Kopplungsraum nachgefüllt werden muß, um die beiden den Kopplungsraum begrenzenden Kolben wieder auf ihren ursprünglichen Abstand zu bringen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Steuerventil mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruches 1 hat dem gegenüber den Vorteil, daß die Lekage vermindert wird. Als weiterer Vorteil sind die Einfachheit und die Preiswürdigkeit der Lösung zu nennen. Schließlich läßt die Vielfalt der Lösungsmöglichkeiten des Vorschlags die Auswahl der für die verschiedenen Anwendungen jeweils günstigsten Varianten zu.
Zeichnung
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein Kraftstoffeinspritzventil im Schnitt, Figur 2 einen als bewegliche Wand eines Kopplungsraumes arbeitender Kolben mit einer stirnseitigen Aufbohrung, Figur 3 eine Kolbenanordnung an einem Kopplungsraum, Figur 4 eine Kolbenanordnung an einem anderen Kopplungsraum, Figur 5 eine anders geformte stirnseitige Ausnehmung, Figur 6 einen Kolben mit einem aufgepressten Ring, Figur 7 eine andere Ringraumanordnung an einem Kolben und Figur 8 eine andere Ringform.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das erfindungsgemäße Ventil findet Anwendung bei einem Kraftstoffeinspritzventil, das in wesentlichen Teilen im Schnitt in der Figur 1 wiedergegeben ist. Dieses Einspritzventil weist ein Ventilgehäuse 1 auf, in dem in einer Längsbohrung 2 eine Ventilnadel 3 geführt ist. An ihrem einen Ende ist die Ventilnadel mit einer kegelförmigen Dichtfläche 4 versehen, die an der in den Brennraum ragenden Spitze 5 des Ventilgehäuses mit einem Sitz 6 zusammenwirkt, von dem aus Einspritzöffnungen abführen, die in das Innere des Einspritzventils, hier den die Ventilnadel 3 umgebenden mit unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoffgefüllten Ringraum 7 mit dem Brennraum verbinden, um so eine Einspritzung zu vollziehen, wenn die Ventilnadel von ihrem Sitz abgehoben hat. Der Ringraum ist mit einem weiteren Druckraum 8 verbunden, der ständig in Verbindung mit einer Druckleitung 10 steht, über die den Kraftstoffeinspritzventil von einem Kraftstoffhochdruckspeicher 9 Kraftstoff unter Einspritzdruck zugeführt wird. Diese hohe Kraftstoffdruck wirkt auch in dem Druckraum 8 und dort auf eine Druckschulter 11, über die in bekannter Weise die Düsennadel bei geeigneten Bedingungen von ihrem Ventilsitz abgehoben werden kann.
Am anderen Ende der Ventilnadel ist diese in einer Zylinderbohrung 12 geführt und schließt dort mit ihrer Stirnseite 14 einen Steuerdruckraum 15 ein, der über eine Drosselverbindung 16 mit ständig mit einem Ringraum 17 verbunden ist, der wie auch der Druckraum 8 immer mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher in Verbindung steht. Axial führt vom Steuerdruckraum 15 eine Drosselbohrung 19 ab zu einem Ventilsitz 20 eines Steuerventils 21. Mit dem Ventilsitz 20 wirkt ein Ventilglied 22 des Steuerventils 21 zusammen, das im abgehobenen Zustand eine Verbindung zwischen dem Steuerdruckraum 15 und einem Entlastungsraum herstellt.
Das Ventilglied 22 wird durch eine Druckfeder 24 in Schließrichtung, also auf den Ventilsitz 20 hin beaufschlagt, so daß in Normalstellung des Steuerventils diese Verbindung des Steuerdruckraumes 15 verschlossen ist. Da die stirnseitige Fläche der Ventilnadel im Bereich des Steuerdruckraumes größer ist als die Fläche der Druckschulter 11, hält der selbe Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum, der auch in dem Druckraum 8 vorherrscht, nun die Ventilnadel in geschlossener Stellung. Ist das Ventilglied 22 jedoch abgehoben, so wird der Druck im Steuerdruckraum 15 entlastet aufgrund der drosselnden Wirkung der Drosselverbindung 16. Bei der nun fehlenden Schließkraft öffnet die Ventilnadel schnell und kann andererseits in Schließstellung gebracht werden, sobald das Ventilglied 22 wieder in Schließstellung kommt. Ab diesem Zeitpunkt baut sich dann schnell über die Drossel 16 der ursprüngliche hohe Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum 15 wieder auf.
Das erfindungsgemäße Steuerventil weist einen zu seiner Betätigung bestimmten Kolben 25 auf, der auf das Ventilglied 22 wirkt. Der Kolben 25 ist in einer Führungsbohrung 28 dicht geführt und begrenzt mit seiner Stirnfläche 29 einen Kopplungsraum 30, der auf seiner gegenüberliegenden Wand von einem Aktorkolben 31 größeren Durchmessers abgeschlossen ist, der Teil eines Piezoaktors 32 ist. Beide Kolben 25 und 31 sind in ihren Bohrungen dicht geführt. Der Kopplungsraum 30 dient aufgrund der unterschiedlichen Kolbenflächen der beiden Kolben 25 und 31 als Druckübersetzerraum, in dem er einen konstruktionsbedingten kleinen Hub des Piezoaktorkolbens 31 in einen größeren Hub des des Steuerventil 21 betätigenden Kolbens 25 übersetzt.
Bei der Druckübersetzung treten im Kopplungsraum 30 sehr hohe Drücke auf. Um es trotz dieser Belastung nicht zu einem unzulässig hohen Leckverlust entlang der Kolbenführung kommen zu lassen, sind der Kolben 25 und eventuell auch der Aktorkolben 31 an ihren Stirnflächen mit je einer Anpressdruckverstärkungseinrichtung 35 in Form einer Sackbohrung 33 bzw. 34 versehen.
Im Kopplungsraum 30 steht der Druck an. Aus der Druckdifferenz der Kräfte von außen und von innen ergibt sich das Aufweitungsvermögen des Kolbens in Abhängigkeit von dem im Kopplungsraum 30 herrschenden Druck. In der Figur 2 ist mittels Vektoren 36 dargestellt, wie bei einer Druckeinwirkung der Kraftverlauf vonstatten geht. Es ist zu erkennen, daß im Bereich der Stirnfläche 29 die Verformbarkeit des Kolbens und damit eine aus dieser Verformung resultierenden Aufweitung des Kolbens am größten ist. Aus der Aufweitung des Kolbens 25 ergibt sich eine dichtende Kraft, die nahe der Stirnfläche dort, wo die größten Dichtprobleme auftreten, am größten ist. Die durch den Druck aufgeweitete Mantelfläche des Kolbens 25 ist mit der Bezugszahl 37 versehen. Es ist zu erkennen, daß mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anpressdruckverstärkungseinrichtung 35 eine zuverlässige Lekageminderung erreicht ist.
Die Figur 3 zeigt den Kopplungsraum 30 mit den beiden Kolben 25 und 31, die beide mit je einer Sackbohrung 33 bzw. 34 versehen sind. Die beiden Kolben 33 und 34 liegen auf der gleichen Achse 38. In der Figur 4 ist dargestellt, daß die Achsen der beiden Kolben auch parallel versetzt sein können, um Bauhöhe zu sparen. Ein Kopplungsraum trägt hier die Bezugszahl 39.
Die Figur 5 läßt erkennen, daß es auch möglich ist, statt einer zylindrischen Sackbohrung 33 bzw. 34 als Anpressdruckverstärkungseinrichtung 40 eine konkave Ausfühlung 41 in die Stirnfläche 29 eines Kolbens 42 einzubringen.
Anders als bei den Bauarten nach den Figuren 2 bis 5 ist in der Figur 6 eine Kolbenbauart dargestellt, bei der ein Kolben 43 an seinem Kolbenkopf 44 mit einem aufgepressten, vorzugsweise aufgeschrumpften Ring 45 bestückt ist. Dieser Ring 45 hat eine stirnseitige Innenaussparung 46, die hohlzylindrisch ausgebildet ist, so daß ein Ringzylindrischer Rand 47 entsteht, der in der Art einer Ringdichtlippe verhältnismäßig leicht aufweitbar ist. Damit ist hier eine Anpressdruckverstärkungseinrichtung 48 geschaffen.
Wird eine solcher Kolben 43 mit hydraulischem Druck belastet, wirkt dieser Druck auch in der Innenaussparung 46. Der Rand 47 wird aufgeweitet und drückt gegen die den Kolben führende Zylinderwand. Auch auf diese Weise ist dann mit der Anpressdruckverstärkungseinrichtung eine zuverlässige Lekageminderung zu erreichen.
Nachdem in der Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, einen Ring 49 zu verwenden, dessen durch eine Aussparung 50 entstandener Rand innen liegt. Hier befindet sich die Aussparung 50 außen, und Druckmittel aus einem Kopplungsraum 53 gelangt durch eine konstruktionsmäßig vorgenommene Durchmesservergrößerung des Kopplungsraumes 53 in die Aussparung 50. Es ist zu sehen, daß auch auf diese Weise eine Erhöhung der Anpresskraft und damit eine Lekageminderung zu erreichen ist.
Figur 8 behandelt schließlich einen wie ein Kolbenring geschlitzten Ring 54, der außen zylindrisch ist und dessen Innenringfläche 55 einen von einem Kopplungsraum 56 nach hinten zunehmenden Querschnitt aufweist, also kegelig ausgebildet ist. Damit stellt hier die Innenringfläche 55 eine Anpressdruckverstärkungseinrichtung 57 dar.
Bei Druckanstieg im Kopplungsraum 56 gelangt Druck in eine Kammer.58 und dort auf die Innenringfläche 55 des Ringes-54, so daß dieser sich aufweitet und sich dichtend an die Zylinderwand anlegt. Eine Lekage an einem Aktorkolben 59 ist auch mit einer derartigen Konstruktion vermindert.
Es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Anpressdruckversträrkungseinrichtung 35, 40, 48, 52 und 57 mit einfachen Mitteln preiswert herstellbar ist und daß sie wegen ihrer vielfältigen Gestaltungsmöglichkeit leicht entsprechenden Einbaubedingungen anpaßbar ist.

Claims (8)

  1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Ventilglied (22), das einen zu seiner Betätigung bestimmten Kolben (25, 42, 43) aufweist, der von einer Druckfeder (24) in Schließrichtung des Ventilgliedes (22) zur Auflage auf einen Ventilsitz (20) beaufschlagt ist und der einen hydraulischen Kopplungsraum (30, 39, 53, 56) als bewegliche Wand abschließt, der andererseits von einem Aktorkolben (31, 59) eines Piezoaktors (32) begrenzt wird, durch dessen Arbeitshub eine Druckerhöhung im Kopplungsraum (30, 39, 53, 56) erzeugbar ist, durch die der Kolben (25, 42; 43) gegen die Kraft der Druckfeder (24) in Ventil-Öffnungsrichtung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktorkolben und der das Ventilglied betätigende Kolben in Bohrungen (28) geführt sind, wobei die Führung einer Lekage unterliegt, und der zwischen dem Aktorkolben (31, 59) und dem das Ventilglied (22) betätigenden Kolben (25, 42, 43) eingeschlossene Kopplungsraum (30, 39, 53, 56) zumindest auf einer Seite mit einer am Aktorkolben (31, 59) und/oder am Kolben (25, 42, 43) vorgesehenen Anpressdruckverstärkungseinrichtung (35, 40, 48, 52, 57) ausgerüstet ist, die daraus besteht, daß am Aktorkolben und/oder dem das Ventilglied betätigende Kolben radial aufweitbare Teile vorgesehen sind, die einer Druckdiffenrenz zwischen dem im Kopplungsraum herrschenden Druck und dem zwischen der führenden Bohrung und dem Aktorkolben und/oder dem das Ventilglied betätigende Kolben herrschenden Druck ausgesetzt sind und sich unter der Druckdifferenz verformen, derart, daß der Anpreßdruck zwischen der jeweiligen Bohrung und dem Aktorkolben und/oder dem das Ventilglied betätigende Kolben erhöht wird.
  2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpressdruckverstärkungseinrichtung (35, 40) eine stirnseitig und konzentrisch in den Aktorkolben (31) und/oder in den das Ventilglied (22) betätigenden Kolben (25, 42) eingebrachte Sackbohrung (33, 34, 41) ist.
  3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sackbohrung (33, 34) zylindrisch ist.
  4. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sackbohrung eine konkave Aushöhlung (41) ist.
  5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpressdruckverstärkungseinrichtung (53) durch einen am Kolbenkopf (44) festgespannten Ring (45, 54) mit einer stirnseitig angeordneten Innenaussparung (46) gebildet ist.
  6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenaussparung (46) des Ringes (45) hohlzylindrisch ist.
  7. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenaussparung des Ringes (54) durch eine kegelige Innenringfläche (55) gebildet ist.
  8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (54) wie ein Kolbenring geschlitzt ist.
EP98921340A 1997-07-02 1998-03-10 Ventil zum steuern von flüssigkeiten Expired - Lifetime EP0923672B1 (de)

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PCT/DE1998/000698 WO1999001662A1 (de) 1997-07-02 1998-03-10 Ventil zum steuern von flüssigkeiten

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