Stand der Technik
[0001] Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der im Oberbegriff
des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.
[0002] Ein derartiges Ventil ist aus der Praxis bekannt und dient beispielsweise als Steuermodul
eines Kraftstoffeinspritzventils, insbesondere eines Common-Rail-Injektors für eine
Dieselbrennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
[0003] Das als Steuermodul ausgebildete Ventil umfaßt ein als Haltekörper dienendes Gehäuse,
in dem ein Aufnahmeraum für eine piezoelektrische Aktuator-Einheit und ein hydraulisches
Kopplermodul ausgebildet ist. Das hydraulische Kopplermodul umfaßt einen Steuerkolben,
der mittels der Aktuator-Einheit betätigbar ist, und einen Betätigungskolben, der
über einen hydraulischen Koppler mit dem Stellkolben in Wirkverbindung steht und auf
ein Ventilschließglied wirkt, das mit mindestens einem Ventilsitz zusammenwirkt. In
Schließstellung sperrt das Ventilschließglied einen Fluidstrom von einem Ventilraum
zu einem Rückflußkanal. Bei geöffnetem Ventilschließglied erfolgt eine Druckentlastung
in dem Ventilraum und damit in einem mit dem Ventilraum verbundenen Ventilsteuerraum,
der zur Betätigung eines Ventilsteuerkolbens bzw. einer Düsennadel dient.
[0004] Der Ventilsteuerraum und der Ventilsteuerkolben sind einem Düsenmodul des Einspritzventils
zugeordnet, an dessen Spitze Düsen zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum
einer Brennkraftmaschine angeordnet sind. Der Ventilsteuerraum umschließt das freie
Ende des Ventilsteuerkolbens und ist über eine Kraftstoffzufuhrleitung mit einem Hochdruckanschluß
verbunden, so daß er Kraftstoff enthält. In Abhängigkeit von dem mittels des Steuermoduls
eingestellten Druckniveau in dem Ventilsteuerraum kann die Lage des Ventilsteuerkolbens
verändert und so die Kraftstoffeinspritzung gesteuert werden, die über die zu dem
Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine führende Öffnungen des Einspritzventils erfolgt.
Die Lage des Ventilsteuerkolbens und damit diejenige der Düsennadel wird also mit
dem Steuermodul festgelegt. Der Ventilraum des Steuermoduls und der Ventilsteuerraum
des Düsenmoduls stehen über eine Ablaufdrossel miteinander in Verbindung.
[0005] Bei dem bekannten Ventil sind das Kopplermodul und die piezoelektrische Aktuator-Einheit
im Betrieb von Kraftstoff umspült. Dies ist bei dem hydraulischen Kopplermodul erforderlich,
da zwischen dem Stellkolben und dem Betätigungskolben der als Hydraulikpolster ausgebildete
hydraulische Koppler angeordnet ist, welcher bei einer Betätigung über eine Leckage
Hydraulikflüssigkeit bzw. Kraftstoff verliert und anschließend wieder befüllt werden
muss, was mittels des das Kopplermodul umgebenden Kraftstoffs erfolgt.
[0006] Die piezoelektrische Aktuator-Einheit umfaßt einen piezoelektrischen Aktor, der nicht
mit Kraftstoff in Berührung kommen darf. Aus diesen Gründen weist die Aktuator-Einheit
bisher eine aufwendig gestaltete Hülse auf, deren Dichtigkeit zudem vor dem Einbau
in den Haltekörper geprüft werden muß.
[0007] Aus der
US-A-6 062 533 ist ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten bekannt, das eine Aktuator-Einheit und
ein Kopplermodul mit einem in einem Aufnahmeraum angeordneten Stellkolben und einem
Betätigungskolben aufweist, wobei die Aktuator-Einheit ein Ventilschließglied betätigt,
das in Schließstellung einen Fluidstrom von einem Ventilraum zu einem Rückflusskanal
sperrt, wobei der Stellkolben mittels zweier Dichtungen in dem Aufnahmeraum geführt
ist, so dass die Aktuator-Einheit gegen das Eindringen von Kraftstoff abgedichtet
ist.
Vorteile der Erfindung
[0008] Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem Ventil der Stellkolben mittels
einer Dichtung in dem Aufnahmeraum geführt ist, hat den Vorteil, daß zwar eine Umspülung
des hydraulischen Kopplermoduls mit der Flüssigkeit erfolgen kann und damit eine Wiederbefüllung
des hydraulischen Kopplers gewährleistet ist, jedoch der Bereich des Aufnahmeraums,
in dem die piezoelektrische Aktuator-Einheit angeordnet ist, so abgedichtet ist, daß
diese nicht mit der Flüssigkeit in Berührung kommen kann. Eine Kapselung der Aktuator-Einheit
ist damit nicht mehr erforderlich. Die Aktuator-Einheit kann damit ohne Metallhülse
und ohne Wellbalg bzw. Membran zur Abdichtung ausgeführt sein. Auch entfallen die
bisher hierfür erforderlichen, aufwendigen Laserschweißarbeiten. Ferner muß die Aktuator-Einheit
vor ihrem Einbau nicht mehr auf ihre Heliumdichtigkeit geprüft werden.
[0009] Auch ist es nicht mehr erforderlich, den Bereich des Aufnahmeraums, in dem die Aktuator-Einheit
angeordnet ist, in Richtung von elektrischen Zuführungen mittels eines O-Ringes abzudichten.
Da der Bereich des Aufnahmeraums, in dem die Aktuator-Einheit angeordnet ist, frei
von Flüssigkeit ist, ist auch keine von diesem Bereich abzweigende Rücklaufbohrung
des Haltekörpers erforderlich, die zu einem zu einem Vorratstank führenden Rücklaufkanal
für die Flüssigkeit führt.
[0010] Das Ventil nach der Erfindung ist insbesondere bei einem Einspritzventil einsetzbar,
das Bestandteil eines Common-Rail-Einspritzsystems einer Dieselbrennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeuges ist.
[0011] In axialer Richtung des Stellkolbens ist die Dichtung derart an dem Stellkolben fixiert,
indem sie zwischen einem Ringbund des Stellkolbens und einer Einstellscheibe des Stellkolbens
angeordnet ist.
[0012] Grundsätzlich kann als Dichtung jede Ringdichtung eingesetzt werden, die den Hub
des Stellkolbens aufnehmen kann.
[0013] Der Hub des Stellkolbens beträgt bei einem Einspritzventil beispielsweise maximal
50 µm. Beispielsweise ist die Dichtung als O-Ringdichtung oder Membran- bzw. Balgdichtung
ausgebildet.
[0014] Um den Stellkolben mit der auf diesem angeordneten Dichtung bequem in den Aufnahmeraum
einsetzen zu können, ist der Aufnahmeraum im Bereich des Kopplermoduls vorzugsweise
gestuft ausgebildet, und zwar mit einem ersten Durchmesser und einem zweiten, gegenüber
dem ersten Durchmesser verringerten Durchmesser, wobei die Dichtung im Bereich des
zweiten Durchmessers angeordnet ist. Die Dichtung muß dann bei der Montage nur über
eine kurze Weglänge an der Wandung des Aufnahmeraums entlang gleiten, was das Risiko
von Undichtigkeiten minimiert.
[0015] Zur weiteren Vereinfachung der Montage weist der Aufnahmeraum vorteilhaft eine Einführschräge
auf, die einen Übergang zwischen dem Bereich mit dem ersten Durchmesser und dem Bereich
mit dem zweiten Durchmesser bildet und auf der die Dichtung bei der Montage in Richtung
ihrer Einbaulage gleitet.
[0016] Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung
sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
[0017] Zwei Ausführungsbeispiele des Ventils nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ein Einspritzventil mit einem Ventil nach der Erfindung;
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs II in Figur 1;
Figur 3 einen Haltekörper des Einspritzventils nach Figur 1; und
Figur 4 eine alternative Ausführungsform eines Ventils nach der Erfindung in einer
Figur 2 entsprechenden Darstellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[0018] In den Figuren 1 bis 3 ist ein Kraftstoffeinspritzventil 10 dargestellt, das zum
Einbau in eine hier nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges
ausgebildet ist und zum Einsatz als Common-Rail-Injektor zur Einspritzung von vorzugsweise
Dieselkraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine dient. Das Kraftstoffeinspritzventil
10 umfaßt hierzu als wesentliche Baueinheiten ein Düsenmodul 11 und ein Ventilsteuermodul
12.
[0019] Das Düsenmodul 11 umfaßt einen Düsenkörper 13, in welchem ein sogenannter Ventilsteuerkolben
14 axial verschieblich geführt ist, der mit einer Düsennadel 15 eine Baueinheit bildet,
mittels der eine zu dem Brennraum der Brennkraftmaschine führende Öffnung bzw. Düse
16 des Einspritzventils 10 steuerbar ist.
[0020] Das freie Ende des Ventilsteuerkolbens 14 ist in einer Hülse 17 geführt, an der sich
eine den Ventilsteuerkolben 14 umschließende Spiralfeder 18 mit einem Ende abstützt,
welche sich mit ihrem anderen Ende an einem Auflager 19 abstützt, die mit dem Ventilsteuerkolben
14 fest verbunden ist.
[0021] Das Düsenmodul 11 ist über eine Überwurfmutter 20 mit dem Ventilsteuermodul 12 verbunden,
wobei zwischen dem Düsenmodul 11 und dem Ventilsteuermodul 12 eine Drosselplatte 21
angeordnet ist. Die Drosselplatte 21 begrenzt zusammen mit der Hülse 17 und dem Ventilsteuerkolben
14 einen Ventilsteuerraum 22. Die Druckverhältnisse in dem Ventilsteuerraum 22 legen
die Lage des Ventilsteuerkolbens 14 bzw. der Düsennadel 15 fest.
[0022] Der Ventilsteuerraum 22 ist über einen eine Zulaufdrossel aufweisenden Zulaufkanal
23 mit einer Zufuhrleitung 24 für Kraftstoff mit einer einem hier nicht näher dargestellten
Hochdruckspeicher, der sogenannten Common-Rail, verbunden. Die Kraftstoffzufuhrleitung
24 führt des weiteren Kraftstoff an die Spitze der Düsennadel 15, so dass dieser bei
Freigabe der Öffnung 16 durch die Düsennadel 15 in den Brennraum der Brennkraftmaschine
eingespritzt wird.
[0023] Der Ventilsteuerraum 22 ist des weiteren über einen in der Zeichnung nicht ersichtlichen
Ablaufkanal, der eine Ablaufdrossel enthält, mit einem Ventilraum 25 verbunden, zu
dem auch ein mit der Kraftstoffzufuhrleitung 24 verbundener Bypass 26 führt und der
dem Ventilsteuermodul 12 zugeordnet ist. Der Zulaufkanal 23, der zu dem Ventilraum
25 führende Ablaufkanal und der Bypass 26 durchgreifen die Drosselplatte 21.
[0024] In dem Ventilraum 25 ist ein Ventilschließglied 27 angeordnet, das mittels einer
Spiralfeder 28 in der der Drosselplatte 21 abgewandten Richtung vorgespannt ist und
mit einem ersten, als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz 29 und einem zweiten, als
Kegelsitz ausgebildeten Ventilsitz 30 zusammenwirkt.
[0025] Das Ventilsteuermodul 12 umfasst des weiteren einen Haltekörper 31, in welchem die
Kraftstoffzufuhrleitung 24 ausgebildet ist und welcher einen Aufnahmeraum 32 für eine
piezoelektrische Aktuator-Einheit 33 und ein Kopplermodul 34 aufweist. Die piezoelektrische
Aktuator-Einheit 33 ist mit elektrischen Steuerleitungen 35 verbunden und steht über
einen Aktorkopf 36 mit dem hydraulischen Kopplermodul 34 in Wirkverbindung.
[0026] Das hydraulische Kopplermodul 34 umfaßt einen ersten, als Stellkolben bezeichneten
Kolben 37, der über einen als Hydraulikpolster ausgebildeten Koppler 38 mit einem
zweiten, als Betätigungskolben bezeichneten Kolben 39 in Wirkverbindung steht, wobei
der Betätigungskolben 39 einen kleineren Durchmesser als der Stellkolben 37 hat. Der
Stellkolben 37 und der Betätigungskolben 39 sind in einer zylindrischen Hülse 40 geführt,
die auf einer Zwischenplatte 41 aufsteht und in der Radialbohrungen 42 ausgebildet
sind, die einen stromab des Ventilsitzes 30 angeordneten Rücklaufraum 43 mit der Außenseite
der zylindrischen Hülse 40 verbinden. In Schließstellung sperrt das Ventilschließglied
27 einen Flüssigkeitsstrom zwischen dem Ventilraum 25 und dem Rücklaufraum 43.
[0027] Wie Figur 3 zu entnehmen ist, zweigt von dem Bereich des Aufnahmeraums 32, in dem
das Kopplermodul 34 angeordnet ist, eine Rücklauföffnung 44 ab, die in dem Haltekörper
31 ausgebildet ist und zu einer ebenfalls in dem Haltekörper 31 ausgebildeten und
axial ausgerichteten Rücklaufleitung 45 führt, der wiederum zu einem hier nicht näher
dargestellten Kraftstoffvorratstank führt. Der Rücklaufraum 43 ist damit über die
Radialbohrung 42 und hier nicht näher dargestellte Durchbrüche einer starren Rohrfeder
47 mit der Rücklaufleitung 45 verbunden.
[0028] Der Stellkolben 37, an dem der Aktorkopf 36 über eine Lagerplatte 51 angreift, ist
in dem an die Lagerplatte 51 angrenzenden Bereich mit einem vergrößerten Durchmesser
versehen. In diesem Bereich weist der Stellkolben 37 eine Ringnut 49 auf, in welcher
ein als Dichtung dienender O-Ring 50 angeordnet ist, der an der Wandung des Aufnahmeraums
32 anliegt. Damit ist der Bereich des Aufnahmeraums 32, in dem die Aktuator-Einheit
33 angeordnet ist, gegenüber dem Bereich des Aufnahmeraums 32, in dem das Kopplermodul
34 angeordnet ist, gedichtet. Der Stellkolben 37 macht im Betrieb des Eintrittsventils
einen Hub von etwa maximal 50 µm. Dieser Hub kann durch die Elastizität des Materials,
aus dem der O-Ring 50 gebildet ist, ausgeglichen werden.
[0029] Ferner ist an dem Stellkolben 37 eine Einstellscheibe 46 angeordnet, die auf der
konzentrisch zu der Hülse 40 angeordneten Rohrfeder 47 aufliegt und mittels der das
Volumen des zwischen den beiden Kolben 37 und 39 angeordneten hydraulischen Kopplers
38 einstellbar ist.
[0030] Der Aufnahmeraum 32 hat in dem Bereich, in dem die Rohrfeder 47 angeordnet ist, einen
größeren Durchmesser als in dem Bereich, in dem der O-Ring 50 angeordnet ist. Zwischen
den Bereichen unterschiedlichen Durchmessers ist eine Einführschräge 48 angeordnet,
die die Montage des Kopplermoduls 34 erleichtert. Der O-Ring 50 gleitet an ihr in
seine Montagestellung. Im montierten Zustand liegt die Einstellscheibe 46 in dem Bereich
der Einführschräge 48.
[0031] In Figur 4 ist eine alternative Ausführungsform eines Ventilsteuermoduls 60 eines
Einspritzventils der in Figur 1 dargestellten Art gezeigt. Das Ventilsteuermodul 60
entspricht im wesentlichen dem in Figur 2 dargestellten Ventilsteuermodul, unterscheidet
sich von diesem aber durch einen Steuerkolben 61, der an dem dem Aktorkopf 36 zugewandten
Seite einen Ringbund 62 aufweist, der zur Fixierung eines O-Rings 50 dient, der den
Bereich des Aufnahmeraums 32, in dem die Aktuator-Einheit angeordnet ist, gegenüber
dem Bereich des Aufnahmeraums 32 dichtet, in dem das Kopplermodul 34 angeordnet ist.
[0032] Zur Fixierung des O-Rings 50 dient des weiteren eine Einstellscheibe 63, die zur
Einstellung des Volumens des hydraulischen Kopplers 38 dient und die auf der Rohrfeder
47 aufliegt. Die Einstellscheibe 63 und der O-Ring 50 sind in dem Bereich verringerten
Durchmessers des Aufnahmeraums 32 angeordnet.
[0033] Im übrigen entspricht der Aufbau des Ventilsteuermoduls 60 demjenigen des Ventilsteuermoduls
nach Figur 2.
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einem Haltekörper (31), der einen Aufnahmeraum
(32) hat, in dem eine insbesondere piezoelektrische Aktuator-Einheit (33) und ein
hydraulisches Kopplermodul (34) angeordnet sind, das mindestens einen Stellkolben
(37, 61) und mindestens einen Betätigungskolben (39) aufweist, der mit dem Stellkolben
(37, 61) über einen hydraulischen Koppler (38) in Wirkverbindung steht und ein Ventilschließglied
(27) betätigt, das mit mindestens einem Ventilsitz (29, 30) zusammenwirkt und in Schließstellung
einen Fluidstrom von einem Ventilraum (25) zu einem Rückflußkanal (45) sperrt, wobei
der Stellkolben (37, 61) mittels einer Dichtung (50) in dem Aufnahmeraum (32) geführt
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (50) zwischen einem Ringbund (62) und einer Einstellscheibe (63) des
Stellkolbens (61) angeordnet ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (37) eine Ringnut (49) aufweist, in der die Dichtung (50) fixiert
ist.
3. Ventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (50) als O-Ring ausgebildet ist.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung als Membran- bzw. Balgdichtung ausgebildet ist.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeraum (32) im Bereich des Kopplermoduls (34) mit einem ersten Durchmesser
und einem zweiten, gegenüber dem ersten Durchmesser verringerten Durchmesser ausgebildet
ist, wobei die Dichtung (50) im Bereich des zweiten Durchmessers angeordnet ist.
6. Ventil nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einführschräge (48), die die Aufnahmeraumbereiche unterschiedlichen Durchmessers
miteinander verbindet.
1. Valve for controlling fluids, having a holding body (31) which has a receiving space
(32), in which an, in particular, piezoelectric actuator unit (33) and a hydraulic
coupler module (34) are arranged, which hydraulic coupler module (34) has at least
one adjusting piston (37, 61) and at least one actuating piston (39) which is operatively
connected to the adjusting piston (37, 61) via a hydraulic coupler (38) and actuates
a valve closing member (27) which interacts with at least one valve seat (29, 30)
and, in the closed position, blocks a fluid flow from a valve space (25) to a return
channel (45), the adjusting piston (37, 61) being guided in the receiving space (32)
by means of a seal (50), characterized in that the seal (50) is arranged between an annular collar (62) and an adjustment disc (63)
of the adjusting piston (61).
2. Valve according to Claim 1, characterized in that the adjusting piston (37) has an annular groove (49), in which the seal (50) is fixed.
3. Valve according to either of Claims 1 and 2, characterized in that the seal (50) is configured as an O-ring.
4. Valve according to either of Claims 1 and 2, characterized in that the seal is configured as a diaphragm seal or bellows seal.
5. Valve according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the receiving space (32) is configured in the region of the coupler module (34) with
a first diameter and a second diameter which is smaller than the first, the seal (50)
being arranged in the region of the second diameter.
6. Valve according to Claim 5, characterized by an insertion bevel (48) which connects the receiving-space regions of different diameter
to one another.
1. Soupape de commande du passage de liquides, comportant un corps de fixation (31) ayant
une chambre de réception (32), logeant une unité d'actionneur en particulier piézoélectrique
(33) et un module coupleur hydraulique (34) qui présente au moins un piston de réglage
(37, 61) et au moins un piston d'actionnement (39) qui, en liaison active avec le
piston de réglage (37, 61) par un coupleur hydraulique (38), actionne un organe de
fermeture de soupape (27) coopèrant avec au moins un siège de soupape (29, 30) et
qui, en position fermée, bloque un écoulement de fluide d'une chambre de soupape (25)
à un canal de retour (45), le piston de réglage (37 61) étant guidé à l'aide d'un
joint (50) dans la chambre de réception (32),
caractérisée en ce que
le joint (50) est monté entre une collerette annulaire (62) et une rondelle de réglage
(63) du piston de réglage (61).
2. Soupape selon la revendication 1,
caractérisée en ce que
le piston de réglage (37) présente une rainure annulaire (49) dans laquelle le joint
(50) est fixé.
3. Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,
caractérisée en ce que
le joint (50) est un joint torique.
4. Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,
caractérisée en ce que
le joint est un joint à membrane ou joint à soufflet.
5. Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisée en ce que
la chambre de réception (32) présente dans la zone du module coupleur (34) un premier
diamètre et un second diamètre inférieur au premier diamètre, le joint (50) étant
monté au niveau du second diamètre.
6. Soupape selon la revendication 5,
caractérisée en ce qu'
un chanfrein d'insertion (48) relie les zones de la chambre de réception de diamètre
différent.