[0001] Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für ein Einspritzventil der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 genannten Art für die Kraftstoffeinspritzung in Verbrennungskraftmaschinen.
Ein solches Steuerventil ist aus der EP-A-0 826 876 bekannt.
[0002] Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Speichereinspritzsysteme
verwendet, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Solche Eispritzsysteme
sind als Common-Rail-Systeme (für Dieselmotoren) und HPDI-Einspritzsysteme (für Ottomotoren)
bekannt. Diese Einspritzsysteme zeichnen sich dadurch aus, daß der Kraftstoff mit
einer Hochdruckpumpe in einen allen Zylindern des Motors gemeinsamen Druckspeicher
gefördert wird, von dem aus die Einspritzventile an den einzelnen Zylindern versorgt
werden. Das Öffnen und Schließen der Einspritzventile wird in der Regel elektromagnetisch
gesteuert, evtl. auch unter Zuhilfenahme von Piezoelementen.
[0003] Das Steuerventil dient dazu, hydraulisch das Öffnen und Schließen des eigentlichen
Kraftstoffeinspritzventils zu bewirken, das heißt insbesondere den Beginn und das
Ende des Einspritzvorganges zeitlich exakt festzulegen. Das Einspritzventil soll z.B.
kontrolliert öffnen und am Ende des Einspritzvorganges schnell schließen. Auch soll
die Einspritzung kleinster Kraftstoffmengen zur Voreinspritzung (Piloteinspritzung)
vor der eigentlichen Einspritzung möglich sein, mit der sich der Verbrennungsprozeß
optimieren läßt.
[0004] Bei der oben genannten EP-A-0 826 876 und der EP-A-0 778 411 wird als Steuerventil
für ein Common-Rail-System ein 2/2-Wegeventil verwendet.
[0005] Anhand der Fig. 1 der Zeichnung wird schematisch das bekannte Einspritzventil mit
einem 2/2-Wegeventil als Steuerventil erläutert.
[0006] Wie in der Fig. 1 gezeigt, wird bei einem Common-Rail-System der Kraftstoff mit Systemdruck
von einem Hochdruckspeicher (nicht gezeigt) über eine Hochdruckbohrung 1 und eine
Zulaufbohrung 2 mit einer Zulaufdrossel 3 zu einer Steuerkammer 4 im Einspritzventilkörper
5 geführt. In der Steuerkammer 4 wirkt der dort herrschende Druck auf das hintere
Ende eines beweglichen Düsenkörpers 6 mit einer Düsennadel 13 am vorderen Ende, die
bei der Bewegung des Düsenkörpers 6 Einspritzlöcher 7 im Einspritzventilkörper 5 öffnet
und schließt, die zum Brennraum des Verbrennungsmotors führen. Ebenfalls über die
Hochdruckbohrung 1 mit dem Hochdruckspeicher verbunden ist eine Düsenkammer 8, die
am vorderen Ende des Düsenkörpers 6 im Einspritzventilkörper 5 ausgebildet ist. Wenn
sowohl in der Steuerkammer 4 als auch in der Düsenkammer 8 der volle Systemdruck anliegt,
wird der Düsenkörper 6 aufgrund der größeren Wirkfläche in der Steuerkammer 4 nach
unten gedrückt und die Düsennadel 13 liegt dann auf einem Ventilsitz 15 in der Düsenkammer
8 an und verschließt die Einspritzlöcher 7.
[0007] Von der Steuerkammer 4 führt eine Bohrung 9 im Einspritzventilkörper 5 mit einer
Ablaufdrossel 10 zu einem in den Einspritzventilkörper 5 integrierten Steuerventil
12 in der Form eines 2/2-Wegeventils. Vom Steuerventil 12 geht ein druckloser Kraftstoff-Rücklauf
14 zum Kraftstofftank ab. Das Steuerventil 12 wird über einen Stößel 16 von einem
elektromagnetischen und/oder piezoelektrischen Aktor 18 angesteuert und betätigt.
[0008] Das Steuerventil 12 steuert den Druck, der in der Steuerkammer 4 auf den beweglichen
Düsenkörper 6 ausgeübt wird. Ist das Steuerventil 12 geschlossen, steht in der Steuerkammer
4 im wesentlichen der volle Systemdruck an, so daß die Düsennadel 13 am vorderen Ende
des Düsenkörpers 6 die Einspritzlöcher 7 verschließt, die in den Brennraun führen.
Wird der Aktor 18 elektrisch angesteuert, übt der Stößel 16 eine Kraft auf das federbelastete
Steuerventil 12 aus. Als Folge davon öffnet sich das Steuerventil 12. Bei offenem
Steuerventil 12 stellt sich zwischen Hochdruckspeicher, Steuerkammer 4, Steuerventil
12 und Rücklauf 14 eine stationäre Strömung ein. Diese Strömung führt an den einzelnen
Drosseln, der Zulaufdrossel 3 und der Ablaufdrossel 10, zu einem definierten Druckabfall.
Der Druckabfall an der Zulaufdrossel 3 und der Ablaufdrossel 10 sind jeweils so bemessen,
daß sich der Druck in der Steuerkammer 4 verringert. Dadurch nimmt die in der Steuerkammer
4 auf den Düsenkörper 6 wirkende Kraft ab, während der Druck in der Düsenkammer 8
gleich dem Systemdruck bleibt, so daß sich das Einspritzventil hydraulisch durch die
in der Düsenkammer 8 auf den Düsenkörper 6 ausgeübte Kraft öffnet. Dadurch wird die
Verbindung der Düsenkammer 8 mit den Einspritzlöchern 7 hergestellt und der Kraftstoff
in den Brennraum eingespritzt.
[0009] Diese Ausgestaltung hat den Nachteil, daß der auf das Steuerventil 12 im geschlossenen
Zustand wirkende Druck im wesentlichen gleich dem Systemdruck, das heißt recht hoch
ist. Da dieser Druck bei der bekannten Anordnung auf das Steuerventil 12 in Öffnungsrichtung
wirkt, muß die Schließfeder des Steuerventils 12 kräftig ausgelegt werden, um das
Steuerventil 12 geschlossen zu halten. Dies führt wiederum dazu, daß die zum Öffnen
des Steuerventils erforderliche Kraft, die vom Aktor 18 aufzubringen ist, sehr groß
ist.
[0010] Um diesen Nachteil zu beseitigen, wird in der EP-A-0 778 411 vorgeschlagen, das Steuerventil
mit einem Druckausgleichsraum und einem Druckausgleichskolben zu versehen. Das Steuerventil
steht dabei nach wie vor über eine Bohrung im Einspritzventilkörper mit einer Ablaufdrossel
mit der Steuerkammer in Verbindung. Bei einer Weiterentwicklung dieser Anordnung ist
die Ablaufbohrung in einem beweglichen, federbelasteten Drosselkolben angebracht,
der zwischen Steuerkammer und Steuerventil angeordnet ist. Die Anordnung zum Steuern
des Düsenkörpers des Einspritzventils wird damit extrem aufwendig.
[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Steuerventil so auszugestalten, daß
die aufzubringenden Steuerkräfte bei einfachem Aufbau des Ventils gering sind.
[0012] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem im Patentanspruch 1 angegebenen Steuerventil
gelöst.
[0013] Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Steuerventils sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
[0014] Die Erfindung stellt demnach ein in den Einspritzventilkörper integriertes 2/2-Wegeventil
dar. Das erfindungsgemäße Steuerventil ist sehr einfach aufgebaut, vollständig in
den Einspritzventilkörper integriert und erfordert nur geringe Steuerkräfte. Die besondere
Konstruktion des erfindungsgemäßen Steuerventils ermöglicht eine Minimierung des Ventilraumvolumens.
Steuerventil, Drosseln und Einspritzventilkörper bilden eine kompakte Einheit. Am
Steuerventil sind keine Federn oder ähnliche Einrichtungen zur Erzeugung von Vorspannungen
nötig. Das erfindungsgemäße Steuerventil läßt sich für kleinste Hubbewegungen mit
einem Hub von nur 20 bis 40 µm auslegen.
[0015] Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein bekanntes Einspritzventil mit einem 2/2-Wegeventil als Steuerventil;
Fig. 2 ein Einspritzventil mit dem erfindungsgemäßen Steuerventil;
Fig. 3 eine erste Ausführungsform des Ventilkörpers für das Steuerventil der Fig.
2; und
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des Ventilkörpers für das Steuerventil der Fig.
2.
[0016] In der Fig. 2 ist ein Einspritzventil mit einem erfindungsgemäßen 2/2-Wegeventil
als Steuerventil dargestellt.
[0017] Auch bei dem in der Fig. 2 gezeigten Einspritzventil steht wie im Falle der Fig.
1 die Steuerkammer 4 des Einspritzventils über eine Hochdruckbohrung 1 und eine Zulaufbohrung
2 mit einer Zulaufdrossel 3 im Einspritzventilkörper 5 mit dem Hochdruckspeicher in
Verbindung, der sich auf Systemdruck befindet. Obwohl in der Fig. 2 nicht mehr dargestellt,
führt auch hier die Hochdruckbohrung 1 weiter zu einer Düsenkammer am vorderen Ende
des beweglichen Düsenkörpers 6, der mit seinem hinteren Ende in die Steuerkammer 4
ragt bzw. eine Seite der Steuerkammer 4 bildet.
[0018] Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Fig. 2 ist das Steuerventil 12 unmittelbar
angrenzend an die Steuerkammer 4 angeordnet. Dazu ist im Einspritzventilkörper 5 eine
Aussparung 30 ausgebildet, die sich gegenüber dem Düsenkörper 6 bzw. der für die Aufnahme
des Düsenkörpers 6 bestimmten Bohrung in Längsrichtung des Einspritzventilkörpers
5 von der Steuerkammer 4 weg erstreckt. In die Aussparung 30 ist ein Ventilkörper
20 eingesetzt. Ähnlich wie der Düsenkörper 6 ist auch der Ventilkörper 20 des Steuerventils
12 zwar in Längsrichtung des Einspritzventilkörpers 5 beweglich, jedoch abdichtend
in die Aussparung 30 eingepaßt.
[0019] Die Aussparung 30 ist zur Steuerkammer 4 hin offen, so daß der in die Aussparung
30 eingesetzte Ventilkörper 20 mit einer Fläche A
1 (seiner Bodenfläche) in die Steuerkammer 4 ragt bzw. mit dieser Fläche A
1 eine Seite der Steuerkammer 4 bildet. In der Regel liegt diese Seite der Seite der
Steuerkammer 4 gegenüber, die vom Düsenkörper 6 gebildet wird.
[0020] Auf der anderen Seite (der Oberseite) der Aussparung 30, die von der Steuerkammer
4 abgewandt ist, ist im Einspritzventilkörper 5 eine Bohrung 40 vorgesehen, durch
die der Stößel 16 des elektromagnetischen und/oder piezoelektrischen Aktors (in der
Fig. 2 nicht dargestellt) verläuft. Der Durchmesser des Stößels 16 ist kleiner als
der der Bohrung 40, und die Bohrung 40 bildet einen Teil des drucklosen Rücklaufs,
durch den der Kraftstoff aus der Steuerkammer 4 bei geöffnetem Steuerventil 12 in
den Kraftstofftank zurückfließt.
[0021] Die Bohrung 40 wiederum hat einen kleineren Durchmesser als die Aussparung 30. Der
Übergang von der Bohrung 40 in die Aussparung 30 ist als Ventilsitz 24 für das Steuerventil
12 ausgebildet, an dem bei geschlossenem Steuerventil 12 eine Dichtfläche 22 an der
Oberseite des Ventilkörpers 20, das heißt an der von der Steuerkammer 4 abgewandten
Seite des Ventilkörpers 20, abdichtend zur Anlage kommt.
[0022] Anschließend an die dem Ventilsitz 24 entsprechende Dichtfläche 22 weist der Ventilkörper
20 an seinem Außenumfang einen radialen Absatz oder eine radiale Einschnürung 25 auf.
Die Einschnürung 25 erweitert sich stufenförmig in einem Abstand von der Oberseite
des Ventilkörpers 20 und von der Dichtfläche 22 auf den Außendurchmesser des Ventilkörpers
20, der dem Innendurchmesser der Aussparung 30 entspricht. Die Einschnürung 25 läßt
zusammen mit einer radialen Schulter 32 am oberen Ende der Aussparung 30 am oberen
Ende des Steuerventils 12 eine Ventilkammer 26 entstehen.
[0023] Die Einschnürung 25 weist bezüglich des in der Ventilkamnmer 26 herrschenden Drucks
eine ringförmige Wirkfläche A
2 auf, die der Wirkfläche A
1 an der Unterseite des Ventilkörpers 20 gegenüberliegt und die kleiner ist als diese
Wirktläche A
1. Die Verhältnisse sind somit ähnlich wie beim Düsenkörper 6, der sich unter Berücksichtigung
der verschiedenen Wirkflächen an seinem oberen bzw. unteren Ende in Abhängigkeit von
den Drücken in der Steuerkammer 4 und der Düsenkammer 8 auf und ab bewegt.
[0024] In den Ventilkörper 20 ist eine Ablaufbohrung 27 mit einer Ablaufdrossel 28 integriert.
Die Ablaufbohrung 27 mit der Ablaufdrossel 28 erstreckt sich von der Steuerkammer
4 zur Ventilkammer 26, das heißt von der an die Steuerkammer 4 angrenzenden bzw. in
diese ragenden Seite des Ventilkörpers 20 zu der Einschnürung 25.
[0025] Im Ausgangszustand, bei geschlossenem Einspritzventil, wird der Ventilkörper 20 des
Steuerventils 12 durch den Druck in der Steuerkammer 4, der praktisch dem Systemdruck
entspricht, gegen den Ventilsitz 24 gedrückt, so daß zwischen der Ventilkammer 26
und der Bohrung 40, die Teil des drucklosen Rücklaufs zum Kraftstofftank ist, keine
Verbindung besteht. Zwar liegt über die Ablaufbohrung 27 und die Ablaufdrossel 28
in der Ventilkammer 26 im wesentlichen der gleiche Druck wie in der Steuerkammer 4
an, da jedoch die Fläche A
1, über die der Druck von der Seite der Steuerkammer 4 auf den Ventilkörper 20 einwirkt,
größer ist als die Fläche A
2, über die der Druck in der Ventilkammer 26 in entgegengesetzter Richtung wirkt, ist
die resultierende Kraft in Richtung Ventilsitz gerichtet.
[0026] Der Systemdruck liegt in der Steuerkammer 4 auch am Düsenkörper 6 an, so daß die
Düsennadel am vorderen Ende des Düsenkörpers 6 in ihren Sitz gedrückt wird und die
Verbindung zu den Einspritzlöchern 7 unterbrochen ist. Folglich wird kein Kraftstoff
in den Brennraum eingespritzt.
[0027] Bei einer elektrischen Ansteuerung des Aktors 18 wird über den Stößel 16 eine Kraft
auf das Steuerventil 12 ausgeübt, die den Ventilkörper 20 vom Ventilsitz 24 abhebt.
Da an der Wirkfläche A
2 der Ventilkammer 26 bereits eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft anliegt, braucht
die vom Stößel 16 ausgeübte Kraft nur mehr die Differenz zu der an der größeren Wirkfläche
A
1 angreifenden Kraft zu überwinden.
[0028] Beim Abheben des Ventilkörpers 20 vom Ventilsitz 24 wird zwischen der Ventilkammer
26 und der Bohrung 40, die Teil des drucklosen Rücklaufs zum Kraftstofftank ist, eine
Verbindung hergestellt. Damit strömt Kraftstoff aus der Hochdruckbohrung 1 durch die
Zulaufdrossel 3, die Steuerkammer 4, die Ablaufdrossel 28 und die Ventilkammer 26
in die Bohrung 40. Der Durchmesser der Ablaufdrossel 28 ist größer als der Durchmesser
der Zulaufdrossel 3 im Einspritzventilkörper 5. Der Durchfluß durch die Zulaufdrossel
3 ist deshalb geringer als der durch die Ablaufdrossel 28, so daß der Druck in der
Steuerkammer 4 abnimmt. Der Düsenkörper 6 wird somit entlastet, und der in der Düsenkammer
8 (Fig. 1) anstehende Systemdruck hebt die Düsennadel von ihrem Sitz ab und gibt die
Verbindung zu den Einspritzlöchern 7 frei. Damit beginnt der Einspritzvorgang.
[0029] Der Hub des Ventilkörpers 20 beim Abheben vom Ventilsitz 24 und der dieser Bewegung
entgegengerichtete Hub des Düsenkörpers 6 können so abgestimmt sein, daß die Unterseite
des Ventilkörpers 20 an der Oberseite des Düsenkörpers 6 zur Anlage kommt. Da beides
plane Flächen sind, wird dadurch die in die Unterseite des Ventilkörpers 20 mündende
Ablaufbohrung 27 verschlossen. Als Folge davon fließt im wesentlichen kein Kraftstoff
mehr durch den Rücklauf ab. Gleichzeitig erhöht sich der Druck in der Steuerkammer
4.
[0030] Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sich der Leckstrom des Einspritzventils und damit
die unnötig geförderte Kraftstoff menge verringert. Sie muß jedoch nicht in jedem
Fall vorgesehen werden.
[0031] Nach Beendigung der Ansteuerung des Aktors 18 wird der Ventilkörper 20 durch den
Druck in der Steuerkammer 4, der immer größer ist als der Druck in der mit dem drucklosen
Rücklauf in Verbindung stehenden Ventilkammer 26, an den Ventilsitz 24 gedrückt. Damit
wird die Verbindung zur Bohrung 40 und zum drucklosen Rücklauf unterbrochen, so daß
sich in der Steuerkammer 4 wieder der volle Druck aufbauen kann. Der Druck in der
Steuerkammer 4 führt am Düsenkörper 6 zu einer Kraft in Richtung zum Sitz der Düsennadel,
die die Düsennadel wieder in ihren Sitz drückt und den Einspritzvorgang beendet.
[0032] In der Fig. 3 ist die bei dem Einspritzventil der Fig. 2 verwendete Ausführungsform
des Ventilkörpers 20 im Detail dargestellt. Die Ablaufbohrung 27 mit der Ablaufdrossel
28 verläuft von der Unterseite des Ventilkörpers 20, die an die Steuerkammer 4 angrenzt,
schräg durch den Ventilkörper 20 und mündet direkt in die Einschnürung 25 unterhalb
der Dichtfläche 22.
[0033] Die Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform des Ventilkörpers 20. Bei dieser
Ausführungsform verläuft die Ablaufbohrung 27 mit der Ablaufdrossel 28 in Richtung
der Längsachse des Ventilkörpers 20 von der Unterseite des Ventilkörpers 20, die an
die Steuerkammer 4 angrenzt, durch den Ventilkörper 20 und mündet in eine Querbohrung
29, die senkrecht zur Längsachse durch den Ventilkörper 20 verläuft und die in die
Einschnürung 25 unterhalb der Dichtfläche 22 einmündet.
1. Steuerventil für ein Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine
mit einer Steuerkammer (4), die über eine Zulaufdrossel (3) mit einem Hochdruckspeicher
in Verbindung steht und die über eine Ablaufdrossel (10, 28) und das Steuerventil
(12), das einen axial beweglichen Ventilkörper (20) aufweist, mit einem drucklosen
Rücklauf (14) zu einem Kraftstofftank in Verbindung gebracht werden kann,
wobei die Zulaufdrossel (3) und die Ablaufdrossel (10, 28) so dimensioniert sind,
daß der Druckabfall an der Zulaufdrossel (3) größer als der Druckabfall an der Ablaufdrossel
(10, 28) ist,
wobei das Steuerventil (12) angrenzend an die Steuerkammer ausgebildet ist und der
Ventilkörper (20) des Steuerventils (12) mit einer ersten Wirkfläche (A
1) an die Steuerkammer angrenzt,
wobei der Ventilkörper (20) an einer der Steuerkammer (4) und der ersten Wirkfläche
(A
1) entgegengesetzten Seite eine mit einem Ventilsitz (24) zusammenwirkende Dichtfläche
(22) aufweist und die Steuerkammer (4) mit dem Rücklauf (14) durch Abheben des Ventilkörpers
(20) mit seiner Dichtfläche (22) von dem Ventilsitz (24) in Verbindung gebracht werden
kann,
wobei der in der Steuerkammer (4) herrschende Druck auf einen beweglichen Düsenkörper
(6) wirkt, der mit einer Düsennadel (13) versehen ist, die bei der Bewegung des Düsenkörpers
(6) Einspritzlöcher (7) freigibt und verschließt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuerventil (12) eine Ventilkammer (26) umfaßt, die entgegengesetzt zur Steuerkammer
(4) angeordnet ist und mit der Steuerkammer (4) über die Ablaufdrossel (28) in Verbindung
steht und eine zweite der ersten entgegengesetz wirkende Wirkfläche (A2) am Ventilkörper (20) aufweist, die kleiner ist als die erste Wirkfläche (A1), und
daß die Ventilkammer (26) in Strömungsrichtung hinter der Ablaufdrossel (28) und vor
der Dichtfläche (22) mit dem zugehörigen Ventilsitz (24) angeordnet ist.
2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufdrossel (28) in
den Ventilkörper (20) des Steuerventils (12) integriert ist.
3. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wirkfläche (A2) der Ventilkammer (26) durch eine Einschnürung (25) an der Oberseite des Ventilkörpers
(20) gebildet wird.
4. Steuerventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablaufbohrung
(27) mit der Ablaufdrossel (28) im Ventilkörper (20) von der Unterseite des Ventilkörpers
(20), die an die Steuerkammer (4) angrenzt, direkt zur Einschnürung (25) an der Oberseite
des Ventilkörpers (20) verläuft.
5. Steuerventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablaufbohrung
(27) mit der Ablaufdrossel (28) von der Unterseite des Ventilkörpers (20), die an
die Steuerkammer (4) angrenzt, zu einer Querbohrung (29) führt, die in Höhe der Einschnürung
(25) an der Oberseite des Ventilkörpers (20) senkrecht zur Längsachse des Ventilkörpers
(20) verläuft und in die Einschnürung (25) einmündet.
6. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Abheben
des Ventilkörpers (20) vom Ventilsitz (24) und durch Abheben der Düsennadel (13) von
einem zugeordneten Sitz (15) der Düsenkörper (6) und der Ventilkörper (20) aufeinander
zubewegt werden, so daß der Abfluß über die Ablaufdrossel (28) reduziert wird.
7. Steuerventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite des Düsenkörpers
(6), die der ersten Wirkfläche (A1) des Ventilkörpers (20) zugewandt ist, mindestens
teilweise als Dichtfläche ausgebildet ist, wobei bei abgehobener Düsennadel (13) und
abgehobenem Ventilkörper (20) die Unterseite des Ventilkörper auf der Oberseite des
Düsenkörper anliegt und ein Abfluß über die Ablaufdrossel (28) unterbunden wird.