EP0970305B1 - Einspritzventil mit steuerventil - Google Patents

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Publication number
EP0970305B1
EP0970305B1 EP98966221A EP98966221A EP0970305B1 EP 0970305 B1 EP0970305 B1 EP 0970305B1 EP 98966221 A EP98966221 A EP 98966221A EP 98966221 A EP98966221 A EP 98966221A EP 0970305 B1 EP0970305 B1 EP 0970305B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control chamber
drain
control
closing element
valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP98966221A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0970305A1 (de
Inventor
Wilhelm Frank
Günter LEWENTZ
Jürgen Rink
Gerd Schmutzler
Joachim Vendulet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0970305A1 publication Critical patent/EP0970305A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0970305B1 publication Critical patent/EP0970305B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements

Definitions

  • the invention relates to an injection valve with a control valve according to the preamble of claim 1
  • Injectors with a control valve are, for example used in a common rail injection system to the Control pressure in a control chamber, the pressure in the control chamber via a control piston onto an injection needle acts depending on the pressure of one Valve seat lifts off, and thereby fuel into an internal combustion engine is injected.
  • EP 0 604 915 A1 already discloses an injection valve with a Control valve known in which a control chamber via a Throttle is connected to a drain by a control valve is controlled.
  • the control valve has a closing member on that is associated with a valve seat that at the end the throttle is formed.
  • the closing element is over spring elements from the low pressure side onto the valve seat pressed.
  • An electromagnet is provided, which Closing member lifts off the associated valve seat, creating a Injection process is started.
  • the injector described has the disadvantage, however, that the throttle at one Break of the spring elements is open.
  • EP 0 826 876 A1 is the closest prior art an injector with a control valve known that a Has closing member which is assigned to a valve seat and that is connected to a piston that is connected to an actuator is in operative connection.
  • the piston is of an annular shape Spring holder partially enclosed, with which a spring element is in operative connection so that the closing member over the piston from the low pressure side onto the valve seat is pressed.
  • the closing element and the valve seat are open attached to the high pressure side.
  • the object of the invention is an injection valve to provide with a control valve that the flow restrictor the control chamber closes reliably.
  • An advantage of the invention is that the closing member of the control valve is arranged on the high pressure side and of the pressure in the control chamber pressed against the valve seat becomes. Another advantage is that the Locking element even if the pretensioning device is damaged the drain is closed securely.
  • Another advantage of the invention is that the closing member is connected via a valve tappet with a small diameter to an actuator piston which has a larger diameter.
  • the valve lifter is guided through a drain hole which has a correspondingly small diameter. Due to the large diameter, the actuator piston has great rigidity, so that the closing member can be moved precisely and quickly by an actuator that controls the actuator piston. Since the drain hole has a small diameter, the closing member can also be made correspondingly small, so that only a small force is required to move the closing member against the pressure in the control chamber and thereby open or close the drain hole.
  • FIG. 1 schematically shows part of an injection valve, in which a control valve is arranged.
  • a control valve for the sake of simplicity is only the control valve and not the entire injector shown.
  • the functioning and structure of a corresponding injector is, for example, in EP 0 604 915 A1.
  • the control valve has a control chamber 1, which has a Inlet throttle 4 in connection with a fuel inlet 3 stands.
  • the control chamber 1 is delimited by a control piston 2, which is movably arranged in a piston bore 35 and which is connected to an injection needle.
  • the control chamber 1 has a drain hole 5 which leads to a second recess 8 is guided via a derivative is connected to the fuel tank.
  • the second recess 8 goes up into a wider guide bore 34.
  • In the control chamber 1 has a first closing element 10, which merges into a valve rod 11 through the drain hole 5 is guided into the second recess 8.
  • a spring plate 13 is inserted in the second recess 8, which extends into the guide bore 35.
  • the Spring plate 13 has a U-shape with a base plate 16 is completed.
  • the bottom plate 16 is the drain hole 5 assigned.
  • the valve rod 11 is in the second recess 8 through a central bore 27 of the base plate 16 out.
  • the valve rod 11 preferably closes flush with the top of the bottom plate 16 and is preferred over a weld 17 in this area with the Bottom plate 16 connected.
  • the bottom plate 16 merges into a sleeve 28 which an angled stop ring in the upper end area 29 has.
  • the second recess 8 and the first recess 7, which forms part of the control chamber 1 preferably introduced into a valve plate 6.
  • the valve plate 6 is non-positively connected to the housing 36 of the injection valve connected.
  • a spring element preferably a compression spring 14 introduced under tension, so that in the rest position the first closing member 10 upwards in the direction of the drain hole 5 against an associated, first sealing seat 25 is pressed.
  • too other spring means such as a disc spring can be used.
  • the first sealing seat 25 is part of the wall surface of the control chamber formed in the entrance area to the drain hole 5.
  • the drain hole 5 preferably provides a drain throttle However, in a further development of the invention the discharge throttle be formed after the discharge hole.
  • the drain hole is in the rest position by the compression spring 14 5 closed by the first closing member 10. Moreover this embodiment offers the advantage that at one Failure of the compression spring 14, the spring plate 13 or the valve rod 11 the first closing member 10 from the pressure in the control chamber 1 prevails against the first sealing seat 25 is pressed and thereby the first closing member 10 the first Sealing seat 25 closes self-locking.
  • the bottom plate 16, the sleeve 28 and the stop ring 29 form the spring plate 13, in its cylindrical cavity an actuator piston 12 is inserted with its end face abuts the bottom plate 16.
  • the actuator piston 12 is movable arranged in the spring plate 13 and stands with an actuator, for example a piezoelectric actuator, in operative connection, that moves the actuator piston.
  • the first sealing seat 25 is preferably designed as a conical seat.
  • the first closing member 10 is partially spherical, the partial spherical shape associated with the first sealing seat 25 is.
  • the partial spherical shape is centered on the upper vertex into the cylindrical shape of the valve rod 11.
  • the part-spherical Shell surface of the first closing member 10 is adapted to the shape of the first sealing seat 25.
  • the flow rate that flows through the drain hole 5 is determined by the annular drain channel 30, the results from the drain hole 5 and the rod 11.
  • the drain channel 30 is designed in such a way that the drain channel 30 acts as a drain throttle.
  • the small diameter of the drain hole 5 now brings that Disadvantage that the valve rod through the drain hole is guided, an even smaller diameter having. Due to the small diameter, the valve stem has 10 low rigidity. This is disadvantageous for one fast and precise control of the first closing element 10.
  • the discharge throttle 5 as short as possible to make the valve rod 11 as short as possible can be trained.
  • the overall drive, which results from the valve rod, is harder 11 and the actuator piston 12.
  • the actuator piston 12 is located outside of the control chamber in a second Recess 8, which is connected to a guide bore 35.
  • the actuator piston 12 can have a larger diameter be formed so that the elasticity of the actuator piston 12 is less than that of the valve rod 11. Since the actuator piston is harder than the valve rod 11, the length of the actuator piston 12 for the adjustment of the elastic properties of little importance.
  • a further optimization of the control valve is achieved that the first closing member 10 of the shape of the control chamber 1 is adapted in such a way that the control volume in the Control chamber 1, which is not filled by the first closing member 10 is as small as possible. This makes it quick It is possible to empty and fill the control chamber, which makes the Switching times in which pressure is up or down in the control chamber is reduced, minimized. As a result, the switching times, with which the control piston 2 and thus the injection needle are moved, minimized.
  • the control chamber preferably has a cylindrical shape, which changes into a cone shape in the upper area, and the thus in the direction of the centrally arranged drain hole 5 tapered.
  • the conical shape represents the first sealing seat 25
  • the first closing member 10 is preferably part-spherical formed, the diameter of the partial spherical shape somewhat is smaller than the diameter of the cylindrical shape Control chamber 1.
  • the flat cutting surface on the underside of the first closing member 10 is parallel to the flat end surface of the control piston 1 and the end face of the Control piston 1 facing.
  • the control chamber 1 is preferred formed in length so that when fully open first closing member 10, i.e. at maximum deflection of the first closing member 10, the closing member 10 is not on pushes the control piston 2 so that the control volume as possible is kept small. This tuning can be carried out precisely be because the cut surface of the first closing member and the end face of the spool is flat and parallel to each other are arranged.
  • the operation of the control valve according to Figure 1 is as follows: The first closing member 10 is in the rest position pressed against the first sealing seat 25 by the compression spring 14, so that the drain hole 5 is closed. In order to is the control chamber 1 only via the inlet throttle 4 with the Fuel inlet 3 connected. In this state there is the control chamber 1 the same fuel pressure as in Fuel supply 3. As a result, the control piston is 2 acted upon by the high fuel pressure of the fuel inlet 3 and is pressed down with the appropriate force. The control piston 2 in turn presses an injection needle on an associated sealing seat so that no fuel is injected.
  • the actuator piston 12 is removed from the assigned actuator is moved up to the rest position, so that the first closing member 10 essentially of the compression spring 14 pressed against the first sealing seat 25 becomes.
  • the pressure is in the control chamber 1 at this time too low to make a noticeable contribution to closing the flow restrictor 5 to contribute. So that the drain hole 5 is closed and in the control chamber 1 turns out after some Time again the fuel pressure in the fuel supply 3 prevails, since fuel flows into the via the inlet throttle Control chamber 1 flows.
  • the control piston is through the adjusting high pressure moves back down so that also the injection needle back on the assigned sealing seat is pressed, thus interrupting the injection of fuel becomes.
  • the fuel pressure drops when the drain hole 5 is open, because more fuel flows through the drain hole 5 than flows through the inlet throttle 4.
  • the drain hole 5 is dimensioned accordingly and preferably provides a flow restrictor represents.
  • the arrangement according to FIG. 1 offers the advantage that the control volume is small in the control chamber 1, and thus the drain hole 5 opened faster and closed faster can be, since only the first closing member 10 in the control chamber 1 is arranged.
  • the volume is under control volume the control chamber 1, which is filled with fuel can be.
  • the compression spring 14, because of the large bias required is relatively large, is preferably outside the control chamber 1 and thus does not affect the control volume the control chamber 1.
  • first closing member is essentially spherical. This has the advantage that the spherical closing member on a conical first sealing seat when closing of the first sealing seat 25 independently due to the spherical shape adjusted.
  • the first closing member 10 can also in the sealing area preferably be conical, the Cone shape of the first closing member 10 to the cone shape of the first Sealing seat 25 is assigned symmetrically. At this Embodiment, however, the first closing member 25 should be in the middle and are guided symmetrically to the first sealing seat 25, so that the first sealing seat 25 is closed precisely.
  • the dimensioning of the drain hole is particularly advantageous 5 or the discharge channel 30 as a discharge throttle, whereby an additional outlet throttle is saved, and the outlet throttle directly adjacent to the control chamber, creating a low tax volume is achieved.
  • Derivation recess 37 is provided so that fuel from the Drain hole 5 even with the bottom plate 16 resting on the drain can drain, since the base plate 16 in the working position rests on the valve plate 6.
  • the actuator piston 12 directly on the Valve rod 11 on, the valve rod 11 as short as possible is formed and nevertheless a relatively large compression spring 14 can be used. This creates a large contact pressure in the rest position for securely sealing the first sealing seat 25 guaranteed.
  • An advantageous embodiment is a pre-assembled and to provide preset control valve unit, the throttle plate 6 with the drain hole 5 and with the first sealing seat 25, the first closing member 10 with the Valve rod 11, which is guided through the drain hole 5, the spring plate 13 to which the valve rod 11 is connected is, and the spring element 14, which between the spring plate 13 and the throttle plate 6 introduced biased is.
  • the throttle plate 6 preferably has the first recess 7, which represents at least part of the control chamber 1. Furthermore, in one embodiment, a second recess 8 for receiving the spring plate 13 in the Throttle plate 6 may be incorporated.
  • the control valve unit has the advantage that the individual Components are pre-assembled, and that an adjustment of maximum stroke of the first closing member 10 is made.
  • the spring plate 13 from one side against the Spring force of the spring element 14 against the throttle plate 6 pressed and the first closing member 10 from the other side with the valve rod 11 through the drain hole 5 into the hole 27 pushed the bottom plate 16.
  • the valve rod 11 becomes fixed to the base plate 16 welded. This is preferably done using laser welding. The laser beam falls over the open U-shape of the spring plate 13 and welds the valve rod 11 on the Top of the bottom plate 16 with a weld 17 with the Base plate 16.
  • Figure 2 shows schematically an injection valve with a Control valve in which the essential Differences compared to Figure 1 in the form of Closing member, the shape of the spring plate and an outlet throttle 23 lie.
  • a second closing member 19 is one assigned second sealing seat 26, the second sealing seat 26 and the associated second sealing surface 31 of the second Closing member 19 are formed as plane-parallel surfaces, that are associated with each other.
  • the second closing member 19 has essentially the shape of a T-piece, which in a second rod 20 passes through the drain hole 5 and through a second bore 32 of a second spring plate 21 is guided up to the top of the second spring plate 21.
  • the second spring plate 21 At the top of the second spring plate 21 is the second Rod 20 via a second weld 24 to the second Spring plate 21 connected.
  • the second spring plate is in the designed essentially cylindrical and points in the upper End area a second stop ring 33. Between the second stop ring 33 and the valve plate 6 is one Compression spring 14 clamped, the second closing member 19th biased upward against the second sealing seat 26.
  • the second spring plate 21 On the top of the second spring plate 21 there is a second one Actuator piston 22.
  • the second actuator piston 22 and the second spring plate 21 are in a guide bore 34 of the injector.
  • the guide bore 34 extends a drain line from a drain throttle 23 to Fuel tank is guided.
  • a discharge duct 37 is provided in the lower area, that from the mouth of the drain hole 5 to the edge region in which the compression spring 14 is arranged is.
  • the outlet throttle 23 can also be used 5 or the drain channel 30 is designed as a drain throttle his.
  • the arrangement according to FIG. 2 works as follows: In the rest position is the second closing member 19 through the Compression spring 14 with the second sealing surface 31 against the second Sealing seat 26 pressed and thus the drain hole 5 closed. So there is in the rest position in the control chamber 1 the same fuel pressure as in the fuel supply 3 is present. Consequently, the control piston 2 with a correspondingly large pressure.
  • the second actuator piston 22 is assigned by the Actuator moved down towards drain hole 5, so the second closing member 19 gives the drain channel 30 free, in the drain hole 5 from the free space results that the second rod 20 does not fill.
  • the derivative and the outlet throttle 23 to the fuel tank back. Since the inlet throttle 4 has a smaller cross section has as the outlet throttle 23, the fuel pressure drops in the control chamber 1.
  • the drain channel 30 with such a large flow cross section, that the throttle function by the discharge throttle 23rd is pictured. Consequently, the force on the spool increases 2 acts.
  • the flow restrictor can 23 omitted and the function of the outlet throttle 23 is by appropriate dimensioning of the drain channel 30 reached.
  • a control valve unit can be used that made the throttle plate 6 with the second closing member 19, that via the second spring plate 21 and a spring means 14 is biased and by determining the distance between the second closing member 19 and the second spring plate 21 is set to a defined maximum stroke.
  • the invention was based on the example of a control chamber with a Inlet and an outlet throttle described, but the Invention is applicable to any type of injection valve.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil mit einem Steuerventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
Einspritzventile mit einem Steuerventil werden beispielsweise bei einem Common-Rail-Einspritzsystem eingesetzt, um den Druck in einer Steuerkammer zu steuern, wobei der Druck in der Steuerkammer über einen Steuerkolben auf eine Einspritznadel einwirkt, die abhängig von dem Druck sich von einem Ventilsitz abhebt, und dadurch Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Aus EP 0 604 915 A1 ist bereits ein Einspritzventil mit einem Steuerventil bekannt, bei dem eine Steuerkammer über eine Drossel mit einem Ablauf verbunden ist, der von einem Steuerventil gesteuert wird. Das Steuerventil weist ein Schließglied auf, das einem Ventilsitz zugeordnet ist, der am Ende der Drossel ausgebildet ist. Das Schließglied wird über Federelemente von der Niederdruckseite her auf den Ventilsitz gedrückt. Es ist ein Elektromagnet vorgesehen, der das Schließglied vom zugeordneten Ventilsitz abhebt, wodurch ein Einspritzvorgang gestartet wird. Das beschriebene Einspritzventil weist jedoch den Nachteil auf, daß die Drossel bei einem Bruch der Federelemente geöffnet ist.
Aus EP 0 826 876 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik ein Einspritzventil mit einem Steuerventil bekannt, das ein Schließglied aufweist, das einem Ventilsitz zugeordnet ist und das mit einem Kolben verbunden ist, der mit einem Aktor in Wirkverbindung steht. Der Kolben ist von einem ringförmigen Federhalter teilweise umschlossen, mit dem ein Federelement so in Wirkverbindung steht, daß das Schließglied über den Kolben von der Niederdruckseite her auf den Ventilsitz gedrückt wird. Das Schließglied und der Ventilsitz sind auf der Hochdruckseite angebracht.
Die Aufgabe der Erfindung beruht darin, ein Einspritzventil mit einem Steuerventil bereitzustellen, das die Ablaufdrossel der Steuerkammer zuverlässig verschließt.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ein Vorteil der Erfindung beruht darin, daß das Schließglied des Steuerventils auf der Hochdruckseite angeordnet ist und von dem Druck in der Steuerkammer gegen den Ventilsitz gedrückt wird. Ein weiterer Vorteil beruht darin, daß das Schließglied auch bei einer Beschädigung der Vorspannmittel der Abfluß sicher verschlossen wird.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung beruht darin, daß das Schließglied über einen Ventilstößel mit einem kleinen Durchmesser mit einem Aktorkolben verbunden ist, der einen größeren Durchmesser aufweist. Der Ventilstößel ist durch eine Ablaufbohrung geführt, die einen entsprechend kleinen Durchmesser aufweist. Der Aktorkolben weist aufgrund des großen Durchmessers eine große Steifigkeit auf, so daß das Schließglied von einem Aktor, der den Aktorkolben steuert, präzise und schnelle bewegt werden kann. Da die Ablaufbohrung einen kleinen Durchmesser aufweist, kann auch das Schließglied entsprechend klein ausgebildet werden, so daß nur eine geringe Kraft notwendig ist, um das Schließglied gegen den Druck in der Steuerkammer zu bewegen, und dadurch die Ablaufbohrung zu öffnen oder zu schließen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert; Es zeigen
  • Figur 1: Eine erste Ausführungsform des Steuerventils, und
  • Figur 2: Ein anderes Steuerventil.
    • Figur 1 zeigt schematisch einen Teil eines Einspritzventils, in dem ein Steuerventil angeordnet ist. Der Einfachheit halber ist nur das Steuerventil und nicht das gesamte Einspritzventil dargestellt. Die Funktionsweise und der Aufbau eines entsprechenden Einspritzventils ist beispielsweise in EP 0 604 915 A1 beschrieben.
    Das Steuerventil weist eine Steuerkammer 1 auf, die über eine Zulaufdrossel 4 mit einem Kraftstoffzulauf 3 in Verbindung steht. Die Steuerkammer 1 wird von einem Steuerkolben 2 begrenzt, der beweglich in einer Kolbenbohrung 35 angeordnet ist, und der mit einer Einspritznadel in Verbindung steht.
    Die Steuerkammer 1 weist eine Ablaufbohrung 5 auf, die zu einer zweiten Ausnehmung 8 geführt ist, die über eine Ableitung mit dem Kraftstofftank verbunden ist. Die zweite Ausnehmung 8 geht nach oben in eine breitere Führungsbohrung 34 über. In der Steuerkammer 1 ist ein erstes Schließglied 10 angeordnet, das in eine Ventilstange 11 übergeht, die durch die Ablaufbohrung 5 in die zweite Ausnehmung 8 geführt ist.
    In der zweiten Ausnehmung 8 ist ein Federteller 13 eingebracht, der sich bis in die Führungsbohrung 35 erstreckt. Der Federteller 13 weist eine U-Form auf, die mit einer Bodenplatte 16 abgeschlossen ist. Die Bodenplatte 16 ist der Ablaufbohrung 5 zugeordnet. Die Ventilstange 11 ist in der zweiten Ausnehmung 8 durch eine mittige Bohrung 27 der Bodenplatte 16 geführt. Die Ventilstange 11 schließt vorzugsweise bündig an der Oberseite der Bodenplatte 16 ab und ist vorzugsweise über eine Schweißnaht 17 in diesem Bereich mit der Bodenplatte 16 verbunden.
    Die Bodenplatte 16 geht nach oben in eine Hülse 28 über, die im oberen Endbereich einen nach außen abgewinkelten Anschlagring 29 aufweist. Die zweite Ausnehmung 8 und die erste Ausnehmung 7, die einen Teil der Steuerkammer 1 darstellt, sind vorzugsweise in eine Ventilplatte 6 eingebracht. Die Ventilplatte 6 ist kraftschlüssig mit dem Gehäuse 36 des Einspritzventils verbunden. Zwischen der Ventiiplatte 6 und dem Anschlagring 29 ist ein Federelement, vorzugsweise eine Druckfeder 14 unter Vorspannung eingebracht, so daß in der Ruhestellung das erste Schließglied 10 nach oben in Richtung auf die Ablaufbohrung 5 gegen einen zugeordneten, ersten Dichtsitz 25 gedrückt wird. Anstelle der Druckfeder können auch andere Federmittel wie z.B. eine Tellerfeder eingesetzt werden.
    Der erste Dichtsitz 25 ist als Teil der Wandfläche der Steuerkammer im Eingangsbereich zur Ablaufbohrung 5 ausgebildet. Die Ablaufbohrung 5 stellt vorzugsweise eine Ablaufdrossel dar. In einer Weiterbildung der Erfindung kann jedoch auch die Ablaufdrossel nach der Ablaufbohrung ausgebildet sein. Durch die Druckfeder 14 ist in der Ruheposition die Ablaufbohrung 5 durch das erste Schließglied 10 verschlossen. Zudem bietet dieses Ausführungsbeispiel den Vorteil, daß bei einem Ausfall der Druckfeder 14, des Federtellers 13 oder der Ventilstange 11 das erste Schließglied 10 von dem Druck, der in der Steuerkammer 1 herrscht, gegen den ersten Dichtsitz 25 gedrückt wird und dadurch das erste Schließglied 10 den ersten Dichtsitz 25 selbstsperrend verschließt.
    Die Bodenplatte 16, die Hülse 28 und der Anschlagring 29 bilden den Federteller 13, in dessen zylinderförmigen Hohlraum ein Aktorkolben 12 eingeschoben ist, der mit seiner Stirnseite an der Bodenplatte 16 anliegt. Der Aktorkolben 12 ist beweglich im Federteller 13 angeordnet und steht mit einem Aktor, beispielsweise einem piezoelektrischen Aktor, in Wirkverbindung, der den Aktorkolben bewegt.
    Der erste Dichtsitz 25 ist vorzugsweise als Kegelsitz ausgebildet. Das erste Schließglied 10 ist teilkugelförmig ausgebildet, wobei die Teilkugelform dem ersten Dichtsitz 25 zugeordnet ist. Die Teilkugelform geht mittig am oberen Scheitelpunkt in die Zylinderform der Ventilstange 11 über. Die teilkugelförmige Mantelfläche des ersten Schließgliedes 10 ist der Form des ersten Dichtsitzes 25 angepaßt.
    Die Durchflußmenge, die über die Ablaufbohrung 5 abfließt, wird durch den ringförmigen Ablaufkanal 30 festgelegt, der sich aus der Ablaufbohrung 5 und der Stange 11 ergibt. Vorzugsweise ist der Ablaufkanal 30 in der Weise ausgelegt, daß der Ablaufkanal 30 als Ablaufdrossel wirkt.
    Bei einem Common-Rail-Einspritzsystem für eine Dieselbrennkraftmaschine werden Drücke von bis zu 1800 bar in der Steuerkammer 1 erreicht. Damit bei diesen Drücken die Ablaufdrossel 5 mit einem Schließglied 10 geöffnet und geschlossen werden kann, muß der Querschnitt der Ablaufdrossel 5 klein gewählt werden, damit auch die Druckfläche des ersten Schließgliedes 10, an dem die hohen Drücke angreifen, klein ausgebildet ist. Bei einer kleinen Druckfläche kann der Aktor die Kraft zum Öffnen und Schließen des ersten Schließgliedes 10 aufbringen und das erste Schließglied 10 ausreichend schnell bewegen.
    Der kleine Durchmesser der Ablaufbohrung 5 bringt nun den Nachteil mit sich, daß die Ventilstange, die durch die Ablaufbohrung geführt ist, einen noch kleineren Durchmesser aufweist. Durch den kleinen Durchmesser hat die Ventilstange 10 eine geringe Steifigkeit. Dies ist nachteilig für eine schnelle und exakte Steuerung des ersten Schließgliedes 10.
    Zudem ist es für eine hohe Schließgeschwindigkeit des ersten Schließgliedes 10 und eine gute Abdichtung des ersten Dichtsitzes 25 durch das erste Schließglied 10 von Vorteil, eine Druckfeder 14 mit einer hohen Vorspannung zu verwenden. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Ventilstange 11 wenig elastisch ist.
    Deshalb ist es von Vorteil, die Ablaufdrossel 5 so kurz wie möglich auszubilden, damit die Ventilstange 11 möglichst kurz ausgebildet werden kann. Je kürzer die Ventilstange 11 ist, desto weniger elastisch ist die Ventilstange 11 und desto härter ist der Gesamtantrieb, das sich aus der Ventilstange 11 und dem Aktorkolben 12 zusammensetzt. Der Aktorkolben 12 befindet sich außerhalb der Steuerkammer in einer zweiten Ausnehmung 8, die mit einer Führungsbohrung 35 verbunden ist. Dadurch kann der Aktorkolben 12 mit einem größeren Durchmesser ausgebildet werden, so daß die Elastizität des Aktorkolbens 12 geringer ist als die der Ventilstange 11. Da der Aktorkolben härter als die Ventilstange 11 ist, ist die Länge des Aktorkolbens 12 für die Abstimmung der elastischen Eigenschaften nur von geringer Bedeutung.
    Eine weitere Optimierung des Steuerventils wird dadurch erreicht, daß das erste Schließglied 10 der Form der Steuerkammer 1 in der Weise angepaßt ist, daß das Steuervolumen in der Steuerkammer 1, das nicht von dem ersten Schließglied 10 ausgefüllt wird, möglichst klein ist. Dadurch ist ein schnelles Leeren und Füllen der Steuerkammer möglich, wodurch die Schaltzeiten, in denen in der Steuerkammer Druck auf- oder abgebaut wird, minimiert werden. Dadurch werden die Schaltzeiten, mit denen der Steuerkolben 2 und damit die Einspritznadel bewegt werden, minimiert.
    Vorzugsweise weist die Steuerkammer eine Zylinderform auf, die im oberen Bereich in eine Kegelform übergeht, und die sich somit in Richtung auf die mittig angeordnete Ablaufbohrung 5 verjüngt. Die Kegelform stellt den ersten Dichtsitz 25 dar. Das erste Schließglied 10 ist vorzugsweise teilkugelförmig ausgebildet, wobei der Durchmesser der Teilkugelform etwas kleiner ist als der Durchmesser der Zylinderform der Steuerkammer 1. Die plane Schnittfläche auf der Unterseite des ersten Schließgliedes 10 ist parallel zur planen Endfläche des Steuerkolbens 1 angeordnet und der Endfläche des Steuerkolbens 1 zugewandt. Die Steuerkammer 1 ist vorzugsweise in der Länge so ausgebildet, daß bei vollständig geöffnetem ersten Schließglied 10, d.h. bei maximaler Auslenkung des ersten Schließgliedes 10 das Schließglied 10 gerade nicht an den Steuerkolben 2 anstößt, damit das Steuervolumen möglichst klein gehalten wird. Diese Abstimmung kann präzise ausgeführt werden, da die Schnittfläche des ersten Schließgliedes und die Endfläche des Steuerkolbens eben und parallel zueinander angeordnet sind.
    Die Funktionsweise des Steuerventils nach Figur 1 ist folgendermaßen: In der Ruheposition ist das erste Schließglied 10 durch die Druckfeder 14 gegen den ersten Dichtsitz 25 gedrückt, so daß die Ablaufbohrung 5 verschlossen ist. Damit ist die Steuerkammer 1 nur über die Zulaufdrossel 4 mit dem Kraftstoffzulauf 3 verbunden. In diesem Zustand herrscht in der Steuerkammer 1 der gleich große Kraftstoffdruck wie im Kraftstoffzulauf 3. Als Folge davon ist der Steuerkolben 2 mit dem hohen Kraftstoffdruck des Kraftstoffzulaufs 3 beaufschlagt und wird mit der entsprechenden Kraft nach unten gedrückt. Der Steuerkolben 2 drückt wiederum eine Einspritznadel auf einen zugeordneten Dichtsitz, so daß kein Kraftstoff eingespritzt wird.
    Wird nun in der Arbeitsposition der Aktorkolben 12 von dem zugeordneten Aktor in Richtung auf die Ablaufbohrung 5 bewegt, so wird das erste Schließglied 10 gegen die Vorspannkraft der Druckfeder 14 und mit der Druckfläche gegen den Druck in der Steuerkammer 1 vom ersten Dichtsitz 25 abgehoben. Als Folge davon ist in der Arbeitsposition die Steuerkammer 1 über die Ablaufbohrung 5 mit der Ableitung verbunden, die zum Kraftstofftank geführt ist.
    In der Arbeitsposition fließt Kraftstoff aus der Steuerkammer 1 über die Ablaufbohrung 5 ab. Damit erniedrigt sich der Druck in der Steuerkammer 1 und der Steuerkolben 2 wird mit einer entsprechend geringeren Kraft nach unten gedrückt. Da an der Einspritznadel Kraftstoff mit hohem Druck anliegt, schiebt die Einspritznadel den entlasteten Steuerkolben 2 in Richtung Ablaufdrossel 5. Zugleich hebt die Einspritznadel vom zugeordneten Dichtsitz ab und Kraftstoff wird eingespritzt.
    Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird der Aktorkolben 12 vom zugeordneten Aktor wieder nach oben in die Ruheposition bewegt, so daß das erste Schließglied 10 im wesentlichen von der Druckfeder 14 gegen den ersten Dichtsitz 25 gedrückt wird. Der Druck ist in der Steuerkammer 1 zu diesem Zeitpunkt zu gering, um einen merklichen Beitrag zum Schließen der Ablaufdrossel 5 beizutragen. Damit wird die Ablaufbohrung 5 geschlossen und in der Steuerkammer 1 stellt sich nach einiger Zeit wieder der Kraftstoffdruck ein, der im Kraftstoffzulauf 3 herrscht, da über die Zulaufdrossel 4 Kraftstoff in die Steuerkammer 1 fließt. Der Steuerkolben wird durch den sich einstellenden hohen Druck wieder nach unten bewegt, so daß auch die Einspritznadel wieder auf den zugeordneten Dichtsitz gedrückt wird und damit das Einspritzen von Kraftstoff unterbrochen wird.
    Der Kraftstoffdruck sinkt bei geöffneter Ablaufbohrung 5, weil über die Ablaufbohrung 5 mehr Kraftstoff abfließt, als über die Zulaufdrossel 4 zufließt. Die Ablaufbohrung 5 ist entsprechend dimensioniert und stellt vorzugsweise eine Ablaufdrossel dar.
    Die Anordnung nach Figur 1 bietet den Vorteil, daß das Steuervolumen in der Steuerkammer 1 klein ist, und damit die Ablaufbohrung 5 schneller geöffnet und schneller geschlossen werden kann, da nur das erste Schließglied 10 in der Steuerkammer 1 angeordnet ist. Unter Steuervolumen wird das Volumen der Steuerkammer 1 bezeichnet, das mit Kraftstoff gefüllt werden kann. Je größer das Steuervolumen ist, desto langsamer kann die Ablaufbohrung 5 geöffnet oder geschlossen werden. Die Druckfeder 14, die wegen der benötigten, großen Vorspannung relativ groß auszubilden ist, liegt vorzugsweise außerhalb der Steuerkammer 1 und beeinflußt damit nicht das Steuervolumen der Steuerkammer 1. In vorteilhafter Weise ist das erste Schließglied im wesentlichen kugelförmig ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, daß sich das kugelförmige Schließglied auf einen kegelförmigen ersten Dichtsitz beim Schließen des ersten Dichtsitzes 25 aufgrund der Kugelform selbständig justiert.
    Das erste Schließglied 10 kann auch in dem abdichtenden Bereich vorzugsweise kegelförmig ausgebildet sein, wobei die Kegelform des ersten Schließgliedes 10 zur Kegelform des ersten Dichtsitzes 25 symmetrisch zugeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform sollte jedoch das erste Schließglied 25 mittig und symmetrisch zum ersten Dichtsitz 25 geführt werden, damit der erste Dichtsitz 25 präzise verschlossen wird.
    Besonders vorteilhaft ist die Dimensionierung der Ablaufbohrung 5 bzw. des Ablaufkanals 30 als Ablaufdrossel, wodurch eine zusätzliche Ablaufdrossel eingespart wird, und die Ablaufdrossel direkt an der Steuerkammer angrenzt, wodurch ein geringes Steuervolumen erreicht wird.
    Vorzugsweise ist auf der Unterseite der Bodenplatte 16 eine Ableitungsausnehmung 37 vorgesehen, damit Kraftstoff von der Ablaufbohrung 5 auch bei aufliegender Bodenplatte 16 zum Ablauf abfließen kann, da die Bodenplatte 16 in der Arbeitsposition auf der Ventilplatte 6 aufliegt. Durch die Hülsenform des Federtellers 13 liegt der Aktuatorkolben 12 direkt an der Ventilstange 11 an, wobei die Ventilstange 11 möglichst kurz ausgebildet ist und trotzdem eine relativ große Druckfeder 14 verwendet werden kann. Damit wird eine große Anpreßkraft in der Ruheposition zum sicheren Abdichten des ersten Dichtsitzes 25 gewährleistet.
    Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, eine vormontierte und voreingestellte Steuerventil-Einheit bereitzustellen, die die Drosselplatte 6 mit der Ablaufbohrung 5 und mit dem ersten Dichtsitz 25, das erste Schließglied 10 mit der Ventilstange 11, die durch die Ablaufbohrung 5 geführt ist, den Federteller 13, mit dem die Ventilstange 11 verbunden ist, und das Federelement 14 aufweist, die zwischen dem Federteller 13 und der Drosselplatte 6 vorgespannt eingebracht ist. Vorzugsweise weist die Drosselplatte 6 die erste Ausnehmung 7 auf, die mindestens einen Teil der Steuerkammer 1 darstellt. Weiterhin kann in einem Ausführungsbeispiel auch eine zweite Ausnehmung 8 zur Aufnahme des Federtellers 13 in die Drosselplatte 6 eingearbeitet sein.
    Die Steuerventil-Einheit bietet den Vorteil, daß die einzelnen Bauteile vormontiert sind, und daß eine Einstellung des maximalen Hubes des ersten Schließgliedes 10 vorgenommen ist. Dazu wird der Federteller 13 von der einen Seite gegen die Federkraft des Federelementes 14 gegen die Drosselplatte 6 gedrückt und von der anderen Seite das erste Schließglied 10 mit der Ventilstange 11 durch die Ablaufbohrung 5 in die Bohrung 27 der Bodenplatte 16 geschoben. Bei einem vorgegebenen Abstand zwischen der Bodenplatte 16 und dem ersten Schließglied 10 wird die Ventilstange 11 fest mit der Bodenplatte 16 verschweißt. Dies erfolgt vorzugsweise über Laserschweißen. Der Laserstrahl fällt dabei über die offene U-Form des Federtellers 13 ein und verschweißt die Ventilstange 11 auf der Oberseite der Bodenplatte 16 mit einer Schweißnaht 17 mit der Bodenplatte 16. Auf diese Weise wird ein definierter maximaler Hub für die Auslenkung des ersten Schließgliedes 10 voreingestellt. Die fertig montierte Steuerventil-Einheit wird bei der Montage des Einspritzventils komplett in das Gehäuse 36 eingelegt. Über entsprechende Spannmittel, wie z.B. eine Überwurfmutter, wird die Steuerventil-Einheit vorzugsweise über die Drosselplatte 6 fest mit dem Gehäuse 36 verbunden.
    Figur 2 zeigt schematisch ein Einspritzventil mit einem Steuerventil, bei dem die wesentlichen Unterschiede im Vergleich zu Figur 1 in der Form des Schließgliedes, der Form des Federtellers und einer Ablaufdrossel 23 liegen.
    In der Steuerkammer 1 ist ein zweites Schließglied 19 einem zweiten Dichtsitz 26 zugeordnet, wobei der zweite Dichtsitz 26 und die zugeordnete zweite Dichtfläche 31 des zweiten Schließgliedes 19 als planparallel Flächen ausgebildet sind, die einander zugeordnet sind. Das zweite Schließglied 19 weist im wesentlichen die Form eines T-Stückes auf, das in eine zweite Stange 20 übergeht, die durch die Ablaufbohrung 5 und durch eine zweite Bohrung 32 eines zweiten Federtellers 21 bis zur Oberseite des zweiten Federtellers 21 geführt ist.
    An der Oberseite des zweiten Federtellers 21 ist die zweite Stange 20 über eine zweite Schweißverbindung 24 mit dem zweiten Federteller 21 verbunden. Der zweite Federteller ist im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist im oberen Endbereich einen zweiten Anschlagring 33 auf. Zwischen dem zweiten Anschlagring 33 und der Ventilplatte 6 ist eine Druckfeder 14 eingespannt, die das zweite Schließglied 19 nach oben gegen den zweiten Dichtsitz 26 vorspannt.
    Auf der Oberseite des zweiten Federtellers 21 liegt ein zweiter Aktuatorkolben 22 auf. Der zweite Aktuatorkolben 22 und der zweite Federteller 21 sind in einer Führungsbohrung 34 des Einspritzventiles geführt.
    Im Bereich der Druckfeder 14 geht von der Führungsbohrung 34 eine Ablaufleitung ab, die über eine Ablaufdrossel 23 zum Kraftstofftank geführt ist. Zudem ist in dem zweiten Federteller 21 im unteren Bereich ein Ableitungskanal 37 vorgesehen, die von dem Mündungsbereich der Ablaufbohrung 5 bis zu dem Randbereich, in dem die Druckfeder 14 angeordnet ist, geführt ist. Anstelle der Ablaufdrossel 23 kann auch die Ablaufbohrung 5 bzw. der Ablaufkanal 30 als Ablaufdrossel ausgebildet sein.
    Die Anordnung nach Figur 2 funktioniert folgendermaßen: In der Ruheposition ist das zweite Schließglied 19 durch die Druckfeder 14 mit der zweiten Dichtfläche 31 gegen den zweiten Dichtsitz 26 gedrückt und damit die Ablaufbohrung 5 verschlossen. Damit herrscht in der Ruheposition in der Steuerkammer 1 der gleich große Kraftstoffdruck, der auch im Kraftstoffzulauf 3 vorliegt. Folglich wird der Steuerkolben 2 mit einem entsprechend großen Druck beaufschlagt.
    Wird nun der zweite Aktuatorkolben 22 von dem zugeordnetem Aktuator nach unten in Richtung auf die Ablaufbohrung 5 bewegt, so gibt das zweite Schließglied 19 den Ablaufkanal 30 frei, in der Ablaufbohrung 5 sich aus dem freibleibenden Raum ergibt, den die zweiten Stange 20 nicht ausfüllt. Damit fließt Kraftstoff aus der Steuerkammer 1 über den Ablaufkanal 30, die Ableitung und die Ablaufdrossel 23 zum Kraftstofftank zurück. Da die Zulaufdrossel 4 einen kleineren Querschnitt aufweist als die Ablaufdrossel 23, sinkt der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 1. In dieser Ausführungsform ist der Ablaufkanal 30 mit einem so großen Durchflußquerschnitt ausgeführt, daß die Drosselfunktion durch die Ablaufdrossel 23 dargestellt wird. Folglich nimmt die Kraft, die auf den Steuerkolben 2 einwirkt ab.
    Wird nun der zweite Aktuatorkolben 22 vom zugeordneten Aktuator wieder nach oben in die Ruheposition bewegt, so wird das zweite Schließglied 19 von der Druckfeder 14 wieder auf den zweiten Dichtsitz 26 gedrückt und damit die Ablaufbohrung 5 verschlossen. Als Folge davon steigt der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 1 wieder auf den hohen Kraftstoffdruck an, der im Kraftstoffzulauf 3 herrscht. Somit wird der Steuerkolben 2 wieder mit dem ursprünglich hohen Druck beaufschlagt.
    In einer Weiterbildung kann jedoch die Ablaufdrossel 23 entfallen und die Funktion der Ablaufdrossel 23 wird durch eine entsprechende Dimensionierung des Ablaufkanals 30 erreicht.
    In der Figur 2 kann auch vorteilhafter Weise eine Steuerventil-Einheit verwendet werden, die aus der Drosselplatte 6 mit dem zweiten Schließglied 19 besteht, das über den zweiten Federteller 21 und ein Federmittel 14 vorgespannt ist und durch die Festlegung des Abstandes zwischen dem zweiten Schließglied 19 und dem zweiten Federteller 21 auf einen definierten maximalen Hub eingestellt ist.
    Die Erfindung wurde am Beispiel einer Steuerkammer mit einer Zulauf- und einer Ablaufdrossel beschrieben, wobei jedoch die Erfindung auf jede Art von Einspritz Ventil anwendbar ist.

    Claims (6)

    1. Einspritzventil mit einem Gehäuse (36), in das eine Steuerkammer (1) eingebracht ist,
      mit einem Steuerkolben (2), der die Steuerkammer (1) begrenzt und verschiebbar im Gehäuse (36) angeordnet ist,
      mit einem Zulauf (4), der die Steuerkammer (1) mit Druckmittel, insbesondere mit Kraftstoff versorgt,
      mit einem Ablauf (5,37), über den Druckmittel aus der Steuerkammer abfließt,
      mit einem Schließglied (10,19), das einem Dichtsitz (25,26) des Ablaufs (5) zugeordnet ist, und das den Ablauf (5) öffnet oder schließt,
      mit einem Steuermittel, das außerhalb der Steuerkammer (1) angeordnet ist, und das in Wirkverbindung mit dem Schließglied (10,19) steht, wobei
      der Dichtsitz (25,26) auf der Hochdruckseite ausgebildet ist, das Schließglied (10,19) auf der Hochdruckseite angeordnet ist,
      das Schließglied (10,19) mit einer Ventilstange (11,20) verbunden ist,
      die Ventilstange (11,20) durch den Ablauf (5) geführt ist, die Ventilstange (11,20) mit dem Steuermittel in Wirkverbindung steht,
      das Schließglied (10,19) in der Steuerkammmer (1) angeordnet ist und das Schließglied (11,19) von einem Federmittel (14), das außerhalb der Steuerkammer (1) angeordnet ist, gegen den Dichtsitz (25,26) vorgespannt ist,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Ventilstange (11,20) auf der Niederdruckseite mit einem Federhalter (13) verbunden ist,
      das Federmittel (14) zwischen den Federhalter (13) und das Gehäuse (36) gespannt ist, so daß das Schließglied (11,19) gegen den Dichtsitz (25,26) gedrückt ist,
      der Federhalter (13) in Form einer Hülse ausgebildet ist, die an einem Ende eine Bodenplatte (16) aufweist, die die Hülsenform abschließt, und die dem Ablauf (5) zugeordnet ist,
      die Bodenplatte (16) mit der Ventilstange (11) verbunden ist, und
      in die Hohlform der Hülse ein Aktorkolben (12) eingeschoben ist, der in Wirkverbindung mit dem Steuermittel steht.
    2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (16) eine Bohrung (27) aufweist, daß die Ventilstange (11) in die Bohrung (27) geführt ist, und daß die Ventilstange (11) im oberen Bereich der Bodenplatte (16) mit der Bodenplatte (16) verbunden ist.
    3. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablauf (5) als Drossel ausgebildet ist.
    4. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte (6) vorgesehen ist, in die der Ablauf (5) eingebracht ist, daß in der Platte (6) eine zweite Ausnehmung (8) zur teilweisen Aufnahme eines Federhalters (13) ausgebildet ist, und
      daß eine erste Ausnehmung (7) zur mindestens teilweisen Ausbildung der Steuerkammer (1) und zur Ausbildung des Dichtsitzes (25,26) ausgebildet ist.
    5. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Schließgliedes (10,19) an die Form der Steuerkammer (1) in der Weise angepaßt ist, daß das Steuervolumen der Steuerkammmer (1) klein gehalten ist.
    6. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerventil-Einheit vorgesehen ist,
      die eine Platte (6) aufweist, in die der Ablauf (5) eingebracht ist,
      die das Schließglied (10) mit der Ventilstange (11) aufweist, die durch den Ablauf (5) geführt ist,
      die den Federhalter (13) aufweist, mit dem die Ventilstange (11) verbunden ist,
      die ein Federlement (14) aufweist, das zwischen dem Federhalter (13) und der Platte (6) eingespannt ist, und das Schließglied (10) gegen den Dichtsitz (25) vorspannt, wobei der Abstand zwischen dem Schließglied (10) und dem Federhalter (13) auf einen vorgegebenen Wert festgelegt ist, so daß ein maximaler Hub des Schließgliedes (10) eingestellt ist.
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