Stand der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Druckmittelzuführung
gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art, wie beispielsweise
in
GB 2 118 624 A offenbart.
[0002] Ventile der einleitend genannten Art sind aus der Praxis bekannt und weisen eine
Druckübersetzung zum Verdichten von Kraftstoff von einem Zuführdruck auf einen Einspritzdruck
auf. Die Druckübersetzung ist dabei mit druckübersetzten Kammern ausgeführt, die mit
weiteren Komponenten zur Druckübersetzung und zum Einspritzen von Kraftstoff in einen
Brennraum einer Brennkraftmaschine kombiniert sind. Dazu wird einem Ventil von einem
Druckmittelspeicher oder einer Druckmittelquelle, insbesondere einem Common-Rail-Bereich,
Kraftstoff mit einem Zuführdruck bzw. einem Rail-Druck über eine Druckmittelzuführung
zugeführt. Mittels der Druckübersetzung wird der mit Zuführdruck zugeführte Kraftstoff
auf einen Hochdruck verdichtet und bei geöffnetem Ventil mit dem Hochdruck in den
Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt.
[0003] Die Druckübersetzung weist ein Kolbensystem auf, welches über ein Steuerventil ansteuerbar
ist und mit dem bedarfsweise der Hochdruck bzw. Einspritzdruck erzeugt wird. Der Hochdruck
liegt im Bereich einer Einspritzdüse des Ventiles an. Eine Ansteuerung des Steuerventiles
erfolgt vorzugsweise über ein einen piezoelektrischen Aktuator, welcher einen Teil
einer Aktuatorik des Ventiles darstellt.
[0004] Die Einspritzdüse und die Druckübersetzung des Ventils sind räumlich voneinander
getrennt und müssen über Bohrungen und Kanäle im Ventilgehäuse miteinander verbunden
werden, um den unter Hochdruck stehenden Kraftstoff von der Druckübersetzung zur Einspritzdüse
führen zu können. Die Bohrungen und Kanäle werden phasenweise mit dem auf Hochdruck
verdichteten Kraftstoff beaufschlagt, so daß das Ventilgehäuse sowie weitere die Kanäle
und Bohrungen aufweisende Bauteile des Ventiles hochfest ausgelegt werden müssen,
was nachteilhafterweise höhere Bauteilwandstärken erfordert und darüber hinaus einen
hohen Dichtaufwand zwischen einzelnen Bauteilen des Ventiles verursacht.
Vorteile der Erfindung
[0005] Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 weist demgegenüber den Vorteil auf, daß auf die in der Praxis verwendeten Bohrungen
und Kanäle zum Führen des auf Hochdruck bzw. Einspritzdruck verdichteten Kraftstoffs
von einer Druckübersetzung in einen Bereich, von dem aus der Kraftstoff in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine durch den Düsenkörper hindurch aus dem Ventil gespritzt wird,
weitestgehend verzichtet werden kann.
[0006] Dies wird dadurch erreicht, daß die Druckübersetzung des Ventiles, in welchem zugeführter
Kraftstoff von einem Zuführdruck auf einen Hochdruck komprimiert wird, und der Bereich,
der als Kraftstoffreservoir nahe den Einspritzöffnungen des Düsenkörpers angeordnet
ist, räumlich nahe beieinander angeordnet sind und lange Verbindungswege im Ventil
vermieden werden. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung des Volumens des Hochdruckbereiches
des Ventiles, so daß der Dichtaufwand reduziert ist und nur wenig Bauteile des Ventiles
gegenüber dem Hochdruck ausgeführt werden müssen.
[0007] Bei dem Ventil nach der Erfindung ist die Funktion der Einspritzdüse und die den
Hochdruck erzeugende Druckübersetzung in einer konstruktiv kompakt ausgeführten Einheit
kombiniert, so daß auch Leckverluste, welche sich negativ auf das Einspritzverhalten
eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten auswirken, minimiert sind.
[0008] Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung
sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
[0009] Vier Ausführungsbeispiele des Gegenstandes nach der Erfindung sind in der Zeichnung
schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
[0010] Es zeigen
Figur 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles
der Erfindung bei einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
im Längsschnitt,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Hochdruckbereich
von einem Zwischendruckbereich durch ein Ventil getrennt ist,
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Position des Rückschlagventiles
aus Figur 2 verändert ist, und
Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Hochdruckbereich
des Ventils mit einem Nadelsteuerraum des Ventils verbunden ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[0011] Bezug nehmend auf Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiels eines Ventils 1 zum
Steuern von Flüssigkeiten mit einer Druckmittelzuführung 2 und einem Ventilelement
3 zum Steuern eines Drucks in einem Hochdruckbereich 4 dargestellt. Das Ventilelement
3 ist in einem Steuerraum 5 angeordnet, der zwei mit dem Ventilelement 3 zusammenwirkende
Ventilsitze 6, 7 hat. Bei Anlage des Ventilelementes 3 an dem ersten Ventilsitz 6
ist der Steuerraum 5 von einem Niederdruckbereich 8 des Ventils 1 getrennt. Diese
Stellung des Ventilelementes 3 ist in der Figur 1 dargestellt, wobei das Ventilelement
3 dann an dem ersten Ventilsitz 6 anliegt, wenn eine Betätigung des Ventilelementes
3 durch das als piezoelektrischer Aktuator ausgeführte Steuerelement unterbleibt und
das Ventilelement 3 von einer Federkraft einer Feder 9 gegen den ersten Ventilsitz
6 gedrückt ist.
[0012] Das Steuerelement, welches beispielsweise auch als ein elektromagnetisches Antriebssystem
ausgeführt sein kann, ist auf der dem Steuerraum 5 abgewandten Seite des ersten Ventilsitzes
6 angeordnet. Bei einer Bestromung des Steuerelementes wird das Ventilelement 3 von
dem ersten Ventilsitz 6 abgehoben, wodurch der Steuerraum 5 mit dem Niederdruckbereich
8 verbunden wird. Des weiteren wird das Ventilelement 3 dichtend gegen den zweiten
Ventilsitz 7 gedrückt, so daß der Steuerraum 5 von einem Ventilsteuerraum 10 getrennt
ist. Da der Steuerraum 5 mit der Druckmittelzuführung 2 verbunden ist, ist der Ventilsteuerraum
10 bei Anlage des Ventilelementes 3 an dem zweiten Ventilsitz 7 ebenfalls von der
Druckmittelzuführung 2 getrennt.
[0013] Der erste Ventilsitz 6 ist vorliegend als ein Kegelsitz ausgeführt, und die mit dem
ersten Ventilsitz 6 zusammenwirkende Dichtfläche 11 des Ventilelementes 3 ist ballig
bzw. kugelabschnittsförmig ausgeführt, so daß bei Anlage des Ventilelementes 3 an
dem ersten Ventilsitz 6 zwischen dem ersten Ventilsitz 6 und der Dichtfläche 11 eine
Linienberührung vorliegt.
[0014] Der zweite Ventilsitz 7 ist als ebene Fläche eines den Steuerraum 5 begrenzenden
Bauteils 42 ausgeführt, welche mit einer ebenfalls ebenen Fläche bzw. Stirnfläche
12 des Ventilelements 3 zusammenwirkt.
[0015] Durch diese Ausgestaltung der beiden Ventilsitze 6, 7 und der Dichtflächen 11, 12
des Ventilelementes 3 ist gewährleistet, daß ein fertigungsbedingter axialer Versatz
des ersten Ventilsitzes 6 gegenüber einem den Steuerraum 5 und den Ventilsteuerraum
10 verbindenden Kanal 13 die Dichtwirkung des Ventilelementes 3 nicht beeinträchtigt.
Des weiteren ist gewährleistet, daß bei einer in axialer Richtung des Ventils 1 erfolgenden
Betätigung des Ventilelementes 3 ein Versatz des Ventilelementes 3 quer zur Bewegungsrichtung
des Ventilelementes 3 zwischen den beiden Ventilsitze 6 und 7 unterbleibt, so daß
eine verzögerungsfreie Ansteuerung des Ventiles 1 sicher gegeben ist.
[0016] Der Ventilsteuerraum 10 ist von einer Ventilplatte 14 und einem Kolben 15 einer Druckübersetzung
begrenzt, wobei der Kolben 15 mit seiner der Ventilplatte 14 zugewandten Stirnfläche
16 an der Ventilplatte 14 anliegt. Die Stirnfläche 16 des Kolbens 15 ist derart kugelförmig
ausgeführt, daß der Kanal 13, welcher die Verbindung zwischen dem Ventilsteuerraum
10 und dem Steuerraum 5 darstellt, von dem Kolben 15 bei Anlage an der Ventilplatte
14 nicht verschlossen wird.
[0017] Der Kolben 15 ist vorliegend zweiteilig ausgeführt und besteht aus einem ersten mit
einem größeren Durchmesser ausgeführten Teilkolben 17 und einem zweiten mit einem
kleineren Durchmesser ausgeführten Teilkolben 18. Der erste Teilkolben 17 ist mit
einer mittigen Sacklochbohrung 19 ausgeführt, in welche der zweite Teilkolben 18 eingeführt
ist. Des weiteren ist der zweite Teilkolben 18 in eine Distanzhülse 20 gesteckt, welche
über eine zwischen einem Bund 21 des zweiten Teilkolbens 18 und der Distanzhülse 20
angeordnete zweite Feder 22 gegen eine Düsennadel 23 des Ventils 1 gedrückt ist.
[0018] Der Bund 21 ist an jenem Ende des zweiten Kolbens 18 ausgebildet, welches durch die
zweite Feder 22 gegen den Boden der Sacklochbohrung 19 des ersten Teilkolbens 17 gedrückt
ist. Mit seinem dem Bund 21 abgewandten Ende ist der zweite Teilkolben 18 in einer
Führungsbohrung 24 der Düsennadel 23 axial beweglich geführt. Der zweite Teilkolben
18 ist mit einer mittigen Durchgangsbohrung 25 ausgebildet, welche an dem Ende des
Bundes 21 von dem ersten Teilkolben 17 verschlossen ist und an dem dem ersten Teilkolben
17 abgewandten Ende des zweiten Teilkolbens 18 in die Führungsbohrung 24 mündet.
[0019] An die Führungsbohrung 24 schließt sich ein koaxial zu dieser in der Düsennadel 23
ausgebildeter Verbindungskanal 26 an, der über eine Stichbohrung 27 mit einem Ringraum
28 verbunden ist. Der Ringraum 28 ist von einem Düsenkörper 29 und der Düsennadel
23 begrenzt. An seinem dem zweiten Teilkolben 18 abgewandten Ende liegt die Düsennadel
23 an einem Dichtsitz 30 des Düsenkörpers 29 an, so daß mehrere über den Umfang des
Düsenkörpers 29 verteilt angeordnete Einspritzöffnungen 31 des Düsenkörpers 29 von
der Düsennadel 23 geschlossen sind.
[0020] Die Düsennadel 23 ist im Düsenkörper 29 über einen ersten Führungsbereich 32 und
einen zweiten Führungsbereich 33 axial längs beweglich und dichtend geführt, wobei
zwischen dem ersten Führungsbereich 32 und dem zweiten Führungsbereich 33 ein von
der Düsennadel 23 und dem Düsenkörper 29 begrenzter Nadelsteuerraum 34 ausgebildet
ist. Der Nadelsteuerraum 34 ist über eine in dem Düsenkörper 29, einem Ventilkörper
35 und der Ventilplatte 14 verlaufende Verbindungsleitung 36 mit der Druckmittelzuführung
2 verbunden.
[0021] Des weiteren ist der Nadelsteuerraum 34 über den ersten Führungsbereich 32 gegenüber
einer Längsbohrung 37 des Ventilkörpers 35, in welcher der erste Teilkolben 17 und
der zweite Teilkolben 18 angeordnet sind, abgedichtet. Zusätzlich ist der Nadelsteuerraum
34 über den zweiten Führungsbereich 33 gegenüber dem Ringraum 28 abgedichtet, wobei
in Abhängigkeit der vorliegenden Druckverhältnisse in dem Ventil 1 Leckageströme von
dem Nadelsteuerraum 34 in Richtung des Ringraumes 28 bzw. der Längsbohrung 37 oder
in entgegengesetzter Richtung fließen.
[0022] Die Längsbohrung 37 des Ventilkörpers 35 ist über einen in dem Düsenkörper 35, der
Ventilplatte 14 sowie einem Ventilgehäuse 38 verlaufenden weiteren Verbindungskanal
39 permanent mit dem Steuerraum 5 verbunden.
[0023] Die Verbindung zwischen der Druckmittelzuführung 2 und dem Steuerraum 5 ist mit einer
Zulaufdrossel 40 und einer Ablaufdrossel 41 ausgeführt, wobei zwischen der Zulaufdrossel
40 und der Ablaufdrossel 41 die Verbindungsleitung 36 in Richtung des Nadelsteuerraumes
34 abzweigt. Somit besteht die Möglichkeit, in Abhängigkeit der Drosselwirkung der
Zulaufdrossel 40 und der Drosselwirkung der Ablaufdrossel 41 ein wenigstens annähernd
konstantes Druckniveau der Druckmittelzuführung 2, welches vorliegend als Zuführdruck
bezeichnet wird, auf ein definiertes Zwischendruckniveau einzustellen. Daraus resultiert,
daß das Zwischendruckniveau der Verbindungsleitung 36 kleiner ist als der Zuführdruck
der Druckmittelzuführung 2.
[0024] Ein Druck des Steuerraumes 5 stellt sich in Abhängigkeit der Drosselwirkung der Ablaufdrossel
41 ein, der wiederum kleiner als das Zwischendruckniveau ist. Daraus folgt, daß der
Druck in dem Ventilsteuerraum 10 und der Druck in der Längsbohrung 37 bei Anlage des
Ventilelementes 3 an dem ersten Ventilsitz 6 gleich groß ist, wohingegen der Druck
in dem Nadelsteuerraum 34 aufgrund der Abzweigung der Verbindungsleitung 36 vor der
Ablaufdrossel 41 größer als der Druck in dem Ventilsteuerraum 10 ist.
[0025] Nachfolgend wird die Funktionsweise des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels
bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil
1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen beschrieben, wobei das Kraftstoffeinspritzventil
1 in der vorliegenden Ausführung als ein Common-Rail-Injector ausgeführt ist.
[0026] Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdauer und einer Einspritzmenge
über Kraftverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird das Ventilelement 3
über das als piezoelektrischer Aktuator ausgebildete Steuerelement angesteuert, welches
auf der ventilsteuerraum- und brennraumabgewandten Seite des Ventilelementes 3 angeordnet
ist. Der nicht näher dargestellte piezoelektrische Aktuator ist in an sich bekannter
Art und Weise aus mehreren keramischen Schichten aufgebaut und weist auf seiner dem
Ventilelement 3 zugewandten Seite einen Aktuatorkopf und auf seiner dem Ventilelement
3 abgewandten Seite einen Aktuatorfuß auf, der sich an einer Wand des Ventilgehäuses
38 abstützt.
[0027] In der in der Figur 1 dargestellten Position des Ventilelementes 3 ist der Steuerraum
5 gegenüber dem Niederdruckbereich 8, in dem vorzugsweise ein Systemdruck zwischen
10 bar und 30 bar vorherrscht, geschlossen. Die Verbindung zwischen dem Steuerraum
5 und dem Ventilsteuerraum 10 ist geöffnet, da das Ventilelement 3 durch die Feder
9 und den in dem Steuerraum 5 vorherrschenden Druck gegen den ersten Ventilsitz 6
gedrückt ist. In dieser Stellung des Ventilelementes 3 ist der piezoelektrische Aktuator
nicht bestromt.
[0028] Da der Druck des Ventilsteuerraumes 10 in etwa dem Druck in der Längsbohrung 37 entspricht
und die Federkraft der zweiten Feder 22 und die Druck- sowie die Flächenverhältnisse
des Nadelsteuerraumes 34, des Ringraumes 28, des Kolbens 15 und der Düsennadel 23
aufeinander abgestimmt sind, ist das Kraftstoffeinspritzventil 1 geschlossen, und
der Kolben 15 bzw. der erste Teilkolben 17 liegt mit seiner Stirnfläche 16 an der
Ventilplatte 14 an.
[0029] In dem vorbeschriebenen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventiles 1 weist der
von dem Ringraum 28, der Stichbohrung 27, dem Verbindungskanal 26, der Führungsbohrung
24 und der Durchgangsbohrung 25 des zweiten Teilkolbens 18 begrenzte Hochdruckbereich
4 sein größtes Volumen auf. Der Hochdruckbereich 4 ist mit Kraftstoff befüllt, der
in etwa das Druckniveau der Längsbohrung 37 aufweist. Dies resultiert aus der Tatsache,
daß der zweite Teilkolben 18 über die zweite Feder 22 gegen den ersten Teilkolben
17 gedrückt ist, und bei Vorliegen eines Druckgefälles zwischen der Längsbohrung 37
und dem Hochdruckbereich 4 der Druck des Hochdruckbereichs 4 auf das Druckniveau der
Längsbohrung 37 angehoben wird. Ist das Druckniveau des Hochdruckbereiches 4 größer
als das Druckniveau der Längsbohrung 37, erfolgt im wesentlichen kein Druckausgleich,
da der zweite Teilkolben 18 dann dichtend an dem ersten Teilkolben 17 anliegt.
[0030] Wird der piezoelektrische Aktuator bzw. dessen piezoelektrische Keramik bestromt,
wird die Länge der piezoelektrischen Keramik aufgrund des piezoelektrischen Effektes
vergrößert. Dadurch wird das Ventilelement 3 von dem ersten Ventilsitz 6 abgehoben
und dichtend gegen den zweiten Ventilsitz 7 gepreßt. In dieser Position des Ventilelementes
3 ist die Druckmittelzuführung 2, der Nadelsteuerraum 34 und die Längsbohrung 37 über
den Steuerraum 5 mit dem Niederdruckbereich 8 verbunden. Gleichzeitig ist der Ventilsteuerraum
10 aufgrund der Anlage des Ventilelements 3 an dem zweiten Ventilsitz 7 gegenüber
dem Steuerraum 5 verschlossen, so daß im Ventilsteuerraum 10 nach wie vor in etwa
das Druckniveau des Steuerraumes 5 vor dem Öffnen des ersten Ventilsitzes 6 vorliegt.
Daraus resultiert ein Druckgefälle zwischen dem Ventilsteuerraum 10 und der Längsbohrung
37.
[0031] Ein Flächenverhältnis zwischen der Stirnfläche 16 und auf der der Stirnfläche 16
des ersten Teilkolbens 17 abgewandten Seite ausgebildeten Wirkflächen des Kolbens
15 führt in Kombination mit dem Druckgefälle zwischen der Ventilsteuerung 10 und der
Längsbohrung 37 zu einem Abheben des ersten Teilkolbens 17 von der Ventilplatte 14
in Richtung der Düsennadel 23. Daraus wiederum resultiert eine Verschiebung des zweiten
Teilkolbens 18 in Richtung der Düsennadel 23, was zu einer Reduzierung des Volumens
des Hochdruckbereiches 4 führt.
[0032] Zusätzlich führt das Abheben des Kolbens 15 von der Ventilplatte 14 zu einer zunehmenden
Stauchung der zweiten Feder 22, wodurch eine auf die Düsennadel 23 wirkende Schließkraft
erhöht wird. Der in dem Hochdruckbereich 4 befindliche Kraftstoff wird auf einen definierten
Hochdruck verdichtet. Der Hochdruck liegt an einer weiteren Wirkfläche 43 der Düsennadel
23 an und führt zusammen mit dem Druck des Nadelsteuerraums 34, der ebenfalls in Öffnungsrichtung
der Düsennadel 23 auf diese einwirkt, zum Öffnen des Ventils 1. Das heißt, daß ab
Erreichen des definierten Hochdrucks in dem Hochdruckbereich 4 bzw. in dem Ringraum
28 die Düsennadel 23 von dem Dichtsitz 30 abgehoben wird. Dann wird der im Hochdruckbereich
4 bzw. im Ringraum 28 unter Hochdruck stehende Kraftstoff über die Einspritzöffnungen
31 in einen nicht näher dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine gespritzt
und der Hochdruck im Hochdruckbereich 4 abgebaut.
[0033] Um die Einspritzung definiert zu beenden, wird die Bestromung des piezoelektrischen
Aktuators unterbrochen und die Längung der piezoelektrischen Keramik bildet sich zurück.
Das Ventilelement 3 hebt von dem zweiten Ventilsitz 7 ab und wird dichtend gegen den
ersten Ventilsitz 6 gedrückt. Das Druckniveau der Längsbohrung 37 erhöht sich derart,
daß der Kolben 15 wieder gegen die Ventilplatte 14 gedrückt wird. Die Düsennadel 23
wird aufgrund der Kraftverhältnisse gegen den Dichtsitz 30 gedrückt. Der Nadelsteuerraum
34 wird über die Zulaufdrossel 40 und die Ablaufdrossel 41 entleert, wodurch ein schnelles
Nadelschließen gewährleistet ist.
[0034] Durch die Anordnung der Zulaufdrossel 40 und der Ablaufdrossel 41 besteht die Möglichkeit,
in Abhängigkeit der Drosselwirkung der beiden Drosseln 40, 41 einen Nadelhubverlauf
so abzustimmen, daß die Düsennadel 23 unter hohem Druck bzw. Einspritzdruck mit definierter
Geschwindigkeit öffnet und anschließend schnell schließt. Damit ist eine präzise Einspritzung
mit einer exakt einstellbaren Einspritzmenge an Kraftstoff durchführbar.
[0035] Soll die Düsennadel 23 bei einer Einspritzung langsam öffnen, wird eine Zulaufdrossel
mit hoher Drosselwirkung vorgesehen, wohingegen bei gewünschter hoher Öffnungsgeschwindigkeit
eine Zulaufdrossel mit geringerer Drosselwirkung vorzusehen ist. Eine Schließgeschwindigkeit
der Düsennadel wird im wesentlichen durch die Drosselwirkung beider Drosseln bestimmt,
wobei eine zunehmende Drosselwirkung die Schließgeschwindigkeit reduziert.
[0036] Nach Beendigung der Einspritzung, d.h. wenn der Kolben 15 an der Ventilplatte 14
anliegt und die Düsennadel 23 dichtend gegen den Dichtsitz 30 gedrückt ist, liegt
zwischen dem Hochdruckbereich 4 und der Längsbohrung 37 bzw. dem Steuerraum 5 ein
derartiges Druckgefälle vor, daß ausgehend von der Längsbohrung 37 Kraftstoff zwischen
dem ersten Teilkolben 17 und dem zweiten Teilkolben 18 über die Durchgangsbohrung
25 in den Hochdruckbereich 4 einströmt, bis das Druckgefälle im wesentlichen reduziert
ist.
[0037] Mit der vorbeschriebenen konstruktiven Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils
ergibt sich eine Reduzierung des Volumens des Hochdruckbereiches des Kraftstoffeinspritzventils,
wodurch vorteilhafterweise Festigkeitsproblemen entgegengewirkt wird. Die erhebliche
Verkleinerung des Hochdruckbereichs 4 des Kraftstoffeinspritzventiles 1 nach der Erfindung
im Vergleich zu aus der Praxis bekannten Einspritzventilen und der Umstand, daß dieser
größtenteils in Bauteile integriert ist, welche im Inneren der Gehäuseteile des Ventiles
angeordnet sind, erlaubt eine Reduzierung der Wandstärke der Gehäuseteile des Ventiles,
woraus wiederum eine Bauraumersparnis resultiert.
[0038] Darüber hinaus weist das Kraftstoffeinspritzventil nach der Erfindung die Vorteile
eines Kraftstoffeinspritzventiles mit Druckübersetzung auf, nämlich daß ein Zuführdruck
wesentlich kleiner sein kann, als der erst im Ventil selbst erzeugte Einspritzdruck,
wodurch eine Druckmittelzuführung nicht mit der gleichen Festigkeit ausgeführt werden
muß wie das Druckübersetzungssystem selbst.
[0039] Die Figuren 2, 3 und 4 stellen drei weitere Ausführungsformen des Ventils nach der
Erfindung dar. Dabei unterscheiden sich die in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispiele von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils
nur in Teilbereichen, weshalb in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren
2 bis 4 für baugleiche und für funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet
werden.
[0040] Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventiles 1
unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventiles
1 durch ein im Bereich der Anlagefläche zwischen dem ersten Teilkolben 17 und dem
zweiten Teilkolben 18 angeordnetes Befüllventil 44, welches eine Befüllung des Hochdruckbereiches
4 mit Kraftstoff sicher gewährleisten soll. Die Befüllung soll selbst dann gewährleistet
sein, falls ein theoretisch ausreichendes Druckgefälle zwischen dem Hochdruckbereich
4 und der Längsbohrung 37 des Ventilkörpers 35 nicht zu einer ausreichenden Befüllung
des Hochdruckbereiches 4 ausgehend von der Längsbohrung 37 führen sollte. Das Befüllventil
44 öffnet ab einem bestimmten Druckgefälle zwischen dem Ventilsteuerraum 10 und dem
Hochdruckbereich 4 und bleibt so lange geöffnet, bis ein Schließdruck in dem Hochdruckbereich
4 erreicht wird.
[0041] Während einer Einspritzung sperrt das vorliegend als Rückschlagventil ausgeführte
Befüllventil 44 den Hochdruckbereich 4 gegenüber dem Ventilsteuerraum 10, so daß der
vorbeschriebene Druckaufbau im Hochdruckbereich durch Verschieben des Kolbens 15 in
Richtung der Düsennadel 23 sicher gewährleistet ist. Darüber hinaus ist der Hochdruckbereich
4 in der in Figur 1 beschriebenen Art und Weise gegenüber der Längsbohrung 37 abgedichtet.
Die Dichtwirkung an der Berührungsstelle zwischen dem ersten Teilkolben 17 und dem
zweiten Teilkolben 18 wird durch eine ausreichend hohe auf den zweiten Teilkolbens
18 wirkende Anpreßkraft erzielt.
[0042] Alternativ hierzu kann das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventiles
1 nach der Erfindung dahingehend ausgeführt sein, daß der Kolben 15 ein einteiliger
Stufenkolben ist. Das heißt, daß der erste Teilkolben 17 und der zweite Teilkolben
18 einstückig ausgeführt sind oder fest miteinander verbunden sind, wodurch eine Befüllung
des Hochdruckbereiches ausgehend von der Längsbohrung des Ventilkörpers nicht vorgesehen
ist und der Hochdruckbereich lediglich ausgehend von dem Ventilsteuerraum durch ein
Öffnen und Schließen des Befüllventiles gesteuert wird.
[0043] Zur weiteren Funktionsweise des in Figur 2 dargestellten Kraftstoffeinspritzventiles
wird auf die Beschreibung des Kraftstoffeinspritzventiles gemäß Figur 1 verwiesen,
da diese bis auf die zusätzliche Befüllung des Hochdruckbereiches 4 über das Befüllventil
44 gleich ist.
[0044] Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventiles 1
unterscheidet sich im wesentlichen von dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
dadurch, daß das Befüllventil 44 nicht an dem dem Anlagebereich zwischen dem ersten
Teilkolben 17 und dem zweiten Teilkolben 18 zugewandten Ende des ersten Teilkolbens
17 angeordnet ist, sondern daß das Befüllventil 44 im Mündungsbereich der Durchgangsbohrung
25 in die Führungsbohrung 24 integriert ist. Diese Maßnahme führt dazu, daß das Volumen
des Hochdruckbereichs 4 im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 1 und
Figur 2 reduziert ist, wodurch die vorbeschriebenen Vorteile des Kraftstoffeinspritzventils
nach der Erfindung noch stärker zum Tragen kommen.
[0045] Ein Ventilschließglied 45 des als Rückschlagventil ausgeführten Befüllventiles 44
und eine das Ventilschließglied 45 gegen einen Ventildichtsitz 46 drückende Schließfeder
47 sind in der Durchgangsbohrung 25 angeordnet und durch eine an den zweiten Teilkolben
18 nach der Montage des Ventilschließgliedes 45 und der Schließfeder 47 angeschweißte
Scheibe 48 positioniert. Die Scheibe 48 ist mit einer mittigen Bohrung 49 zum Führen
von Kraftstoff in den Hochdruckbereich 4 versehen. Die Durchgangsbohrung 25 des zweiten
Teilkolbens 18 ist im Bereich des Ventildichtsitzes 46 mit einer Durchmessereinschnürung
versehen, wodurch auf das Befüllventil 44 einwirkende Druckschwankungen in der Längsbohrung
37 und damit auch in der Durchgangsbohrung 25 geglättet werden.
[0046] Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils 1 gemäß der in Figur 3 dargestellten
Ausführungsform entspricht im wesentlichen der Funktionsweise des in Figur 2 dargestellten
Kraftstoffeinspritzventils, weshalb auf die Beschreibung der Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils
zu Figur 1 und 2 verwiesen wird.
[0047] In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventils 1
dargestellt, dessen prinzipielle konstruktive Ausführung im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel
gemäß Figur 1 entspricht. Das Kraftstoffeinspritzventil gemäß Figur 4 ist jedoch ohne
Verbindung zwischen der Druckmittelzuführung 2 und dem Nadelsteuerraum 34 sowie ohne
die in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellten Drosseln 40 und 41 ausgeführt.
[0048] Damit stellt das Kraftstoffeinspritzventil 1 gemäß Fig. 4 gegenüber den Ausführungsbeispielen
gemäß Figur 1, 2 und 3 eine vereinfachte Ausführungsform dar, dessen Einspritzverhalten
jedoch nicht in der differenzierten Art und Weise einstellbar ist, wie es bei den
Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 3 der Fall ist, die die Zulaufdrossel 40 und
die Ablaufdrossel 41 aufweisen. Dies resultiert daraus, daß das Öffnungsverhalten
des Kraftstoffeinspritzventiles gemäß Figur 4 lediglich über eine Drosselwirkung eines
Durchbruchs 50 beeinflußbar ist.
[0049] Der Durchbruch 50 ist in der Düsennadel 23 vorgesehen, um ein Zuführen bzw. ein Abführen
von Kraftstoff in den Nadelsteuerraum 34 bzw. aus dem Nadelsteuerraum 34 heraus zu
gewährleisten, und stellt eine Verbindung zwischen dem Nadelsteuerraum 34 und dem
Hochdruckbereich 4 im Bereich des Verbindungskanals 26 her.
[0050] Gemäß der Darstellung in Figur 4 liegt das Ventilelement 3 am ersten Ventilsitz 6
und die Düsennadel 23 am Dichtsitz 30 an. Wird der erste Ventilsitz 6 von dem Ventilelement
3 freigegeben und der zweite Ventilsitz 7 von dem Ventilelement 3 verschlossen, wird
der Kolben 15 in Richtung der Düsennadel 23 verschoben, wobei der im Hochdruckbereich
4 vorhandene Kraftstoff auf Hochdruck verdichtet wird. Gleichzeitig steigt der Druck
im Nadelsteuerraum 34 entsprechend der Drosselwirkung des Durchbruchs 50 an. Erreicht
der Druck des Hochdruckbereiches 4 den Öffnungsdruck bzw. den Einspritzdruck, hebt
die Düsennadel 23 in Richtung der Ventilplatte 14 von dem Dichtsitz 30 ab, und der
in dem Hochdruckbereich 4 bzw. in dem Ringraum 28 vorhandene Kraftstoff wird über
die Einspritzöffnungen 31 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt.
[0051] Zur Beendigung der Einspritzung wird das Ventilelement 3 wiederum an den ersten Ventilsitz
6 dichtend angelegt, wodurch der Kolben 15 in vorbeschriebener Art und Weise zurück
an die Ventilplatte 14 verschoben wird. Gleichzeitig wird die Düsennadel 23 dichtend
gegen den Dichtsitz 30 gedrückt, wobei sich das Volumen des Nadelsteuerraumes 34 verringert.
Der überschüssige Kraftstoff des Nadelsteuerraumes 34 wird über den Durchbruch 50
in den Hochdruckbereich 4 gedrückt. Die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel 23 ist
daher von der Drosselwirkung des Durchbruchs 50 abhängig und über eine Veränderung
der Drosselwirkung variierbar.
[0052] Der Hochdruckbereich 4 wird somit nach Beendigung der Einspritzung einerseits über
die Längsbohrung 37 und zusätzlich mit überschüssigem Kraftstoff des Nadelsteuerraums
34 über den Durchbruch 50 befüllt.
[0053] Selbstverständlich liegt es im Ermessen des Fachmannes, das Kraftstoffeinspritzventil
gemäß der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform mit einem Befüllventil in der in
den Figuren 2 und 3 beschriebenen Art und Weise zu versehen. Dabei kann das Befüllventil
in den in Figur 2 oder in Figur 3 dargestellten Positionen oder in beliebig dazwischen
angeordneten Positionen vorgesehen sein.
1. Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Druckmittelzuführung (2), mit einem
Ventilelement (3) zum Steuern eines Drucks in einem Hochdruckbereich (4), mit einem
Steuerelement zum Betätigen des Ventilelementes (3) und mit einer Druckübersetzung,
mittels welcher über die Druckmittelzuführung (2) zugeführtes Druckmittel von einem
Zuführdruck auf einen Hochdruck komprimierbar ist, wobei die Druckübersetzung wenigstens
einen längsbeweglich in einem Ventilkörper (35) angeordneten Kolben (15) aufweist
und der Hochdruckbereich (4) wenigstens teilweise von einem Düsenkörper (29) und einer
darin längsbeweglich angeordneten Düsennadel (23), die Einspritzöffnungen (31) des
Düsenkörpers (29) bei Anlage an einem Dichtsitz (30) abdichtet, begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (15) der Druckübersetzung wenigstens bereichsweise längsbeweglich in der
Düsennadel (23) geführt ist und ein Teil des Hochdruckbereichs (4) zusätzlich im Inneren
der Düsennadel (23) von dieser und dem in der Düsennadel (23) geführten Teil des Kolbens
(15) begrenzt ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (15) als Stufenkolben ausgeführt ist.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (15) zweiteilig ausgeführt ist.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kolben (15) und der Düsennadel (23) ein elastisches Element (22) angeordnet
ist.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (3) in einem Steuerraum (5) angeordnet ist, welcher zwei mit dem
Ventilelement (3) zusammenwirkende Ventilsitze (6, 7) hat.
6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum (5) jeweils mit der Druckmittelzuführung (2), einem Niederdruckbereich
(8) und einem Ventilsteuerraum verbunden ist, wobei die Verbindung des Steuerraumes
(5) mit dem Niederdruckbereich (8) bei Anlage des Ventilelementes (3) an dem ersten
Ventilsitz (6) geschlossen ist und die Verbindungen des Steuerraums mit dem Ventilsteuerraum
(10) und mit der Druckmittelzuführung (3) geöffnet sind.
7. Ventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen des Steuerraumes (5) mit dem Niederdruckbereich (8) und mit der
Druckmittelzuführung (2) bei Anlage des Ventilelementes (3) an dem zweiten Ventilsitz
(7) geöffnet sind und die Verbindung des Steuerraumes (5) mit dem Ventilsteuerraum
(10) geschlossen ist.
8. Ventil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsteuerraum (10) von einer dem Steuerraum (5) zugewandten Stirnfläche (16)
des Kolbens (15), einer Ventilplatte (14) und dem Ventilkörper (35) begrenzt ist.
9. Ventil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (35) eine mit dem Steuerraum (5) verbundene Längsbohrung (37) aufweist,
in welcher der Kolben (15) angeordnet ist.
10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittelzuführung (2) über den Steuerraum (5) mit der Längsbohrung (37) verbunden
ist.
11. Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Steuerraum (5) und der Druckmittelzuführung (2) mit einer
Zulaufdrossel (40) versehen ist.
12. Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Druckmittelzuführung (2) und dem Steuerraum (5) mit einer
Ablaufdrossel (41) versehen ist.
13. Ventil nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum (5) über eine Verbindungsleitung (36) mit einem Nadelsteuerraum (34)
verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung (36) von der Verbindung zwischen der Druckmittelzuführung
(2) und dem Steuerraum (5) zwischen der Zulaufdrossel (40) und der Ablaufdrossel (41)
in Richtung des Nadelsteuerraumes (34) abzweigt.
14. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckbereich (4) über einen Durchbruch (50) in der Düsennadel (23) mit einem
Nadelsteuerraum (34) verbunden ist.
1. Valve (1) for the control of liquids, with a pressure-medium supply (2), with a valve
element (3) for controlling a pressure in a high-pressure region (4), with a control
element for actuating the valve element (3) and with pressure intensification, by
means of which pressure medium supplied by the pressure-medium supply (2) can be compressed
from a supply pressure to a high pressure, the pressure intensification having at
least one piston (15) arranged longitudinally movably in a valve body (35), and the
high-pressure region (4) being delimited at least partially by a nozzle body (29)
and a nozzle needle (23) which is arranged longitudinally movably therein and which
seals off the injection orifices (31) to the nozzle body (29) in the event of bearing
contact against a sealing seat (30), characterized in that the piston (15) of the pressure intensification is at least in regions guided longitudinally
movably in the nozzle needle (23), and part of the high-pressure region (4) is additionally
delimited, inside the nozzle needle (23), by the latter and by that part of the piston
(15) which is guided in the nozzle needle (23).
2. Valve according to Claim 1, characterized in that the piston (15) is designed as a stepped piston.
3. Valve according to Claim 1 or 2, characterized in that the piston (15) is of two-part design.
4. Valve according to one of Claims 1 to 3, characterized in that an elastic element (22) is arranged between the piston (15) and the nozzle needle
(23).
5. Valve according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the valve element (3) is arranged in a control space (5) which has two valve seats
(6, 7) cooperating with the valve element (3).
6. Valve according to Claim 5, characterized in that the control space (5) is connected in each case to the pressure-medium supply (2),
to a low-pressure region (8) and to a valve control space, the connection of the control
space (5) to the low-pressure region (8) being closed when the valve element (3) is
in bearing contact against the first valve seat (6), and the connections of the control
space to the valve control space (10) and to the pressure-medium supply (2) being
opened.
7. Valve according to Claim 5 or 6, characterized in that the connections of the control space (5) to the low-pressure region (8) and to the
pressure-medium supply (2) are opened when the valve element (3) is in bearing contact
against the second valve seat (7), and the connection of the control space (5) to
the valve control space (10) is closed.
8. Valve according to one of Claims 5 to 7, characterized in that the valve control space (10) is delimited by an end face (16), facing the control
space (5), of the piston (15), by a valve plate (14) and by the valve body (35).
9. Valve according to one of Claims 5 to 8, characterized in that the valve body (35) has a longitudinal bore (37) which is connected to the control
space (5) and in which the piston (15) is arranged.
10. Valve according to Claim 9, characterized in that the pressure-medium supply (2) is connected to the longitudinal bore (37) via the
control space (5).
11. Valve according to one of Claims 6 to 10, characterized in that the connection between the control space (5) and the pressure-medium supply (2) is
provided with an inflow throttle (40).
12. Valve according to one of Claims 6 to 11, characterized in that the connection between the pressure-medium supply (2) and the control space (5) is
provided with an outflow throttle (41).
13. Valve according to one of Claims 5 to 12, characterized in that the control space (5) is connected to a needle control space (34) via a connecting
line (36), the connecting line (36) branching off from the connection between the
pressure-medium supply (2) and the control space (5) between the inflow throttle (40)
and the outflow throttle (41) in the direction of the needle control space (34).
14. Valve according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the high-pressure region (4) is connected to a needle control space (34) via a perforation
(50) in the nozzle needle (23).
1. Soupape (1) pour commander des liquides, avec une alimentation en fluide sous pression
(2), avec un élément de soupape (3) pour commander une pression dans une région de
haute pression (4), avec un élément de commande pour actionner l'élément de soupape
(3) et avec une multiplication de pression au moyen de laquelle le fluide sous pression
alimenté par le biais de l'alimentation en fluide sous pression (2) peut être comprimé
d'une pression d'alimentation à une haute pression, la multiplication de pression
présentant au moins un piston (15) disposé de manière déplaçable longitudinalement
dans un corps de soupape (35), et la région de haute pression (4) étant limitée au
moins en partie par un corps d'injecteur (29) et une aiguille d'injecteur (23) disposée
de manière déplaçable longitudinalement dans celui-ci, qui ferme hermétiquement des
ouvertures d'injection (31) du corps d'injecteur (29) lors de l'application contre
un siège d'étanchéité (30), caractérisée en ce que le piston (15) de la multiplication de pression est guidé au moins en partie de manière
déplaçable longitudinalement dans l'aiguille d'injecteur (23) et une partie de la
région de haute pression (4) est limitée en outre à l'intérieur de l'aiguille d'injecteur
(23) par celle-ci et par la partie du piston (15) qui est guidée dans l'aiguille d'injecteur
(23).
2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le piston (15) est réalisé sous forme de piston étagé.
3. Soupape selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le piston (15) est réalisé en deux parties.
4. Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'un élément élastique (22) est disposé entre le piston (15) et l'aiguille d'injecteur
(23).
5. Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'élément de soupape (3) est disposé dans un espace de commande (5) qui présente
deux sièges de soupape (6, 7) coopérant avec l'élément de soupape (3).
6. Soupape selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'espace de commande (5) est connecté à chaque fois à l'alimentation en fluide sous
pression (2), à une région de basse pression (8) et à un espace de commande de soupape,
la connexion de l'espace de commande (5) à la région de basse pression (8) étant fermée
lors de l'application de l'élément de soupape (3) contre le premier siège de soupape
(6), et les connexions de l'espace de commande à l'espace de commande de soupape (10)
et à l'alimentation en fluide sous pression (2) étant ouvertes.
7. Soupape selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que les connexions de l'espace de commande (5) à la région de basse pression (8) et à
l'alimentation en fluide sous pression (2) sont ouvertes lors de l'application de
l'élément de soupape (3) contre le deuxième siège de soupape (7) et la connexion de
l'espace de commande (5) à l'espace de commande de soupape (10) est fermée.
8. Soupape selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que l'espace de commande de soupape (10) est limité par une surface frontale (16) du
piston (15) tournée vers l'espace de commande (5), par une plaque de soupape (14)
et par le corps de soupape (35).
9. Soupape selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que le corps de soupape (35) présente un alésage longitudinal (37) connecté à l'espace
de commande (5), dans lequel est disposé le piston (15).
10. Soupape selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'alimentation en fluide sous pression (2) est connectée par le biais de l'espace
de commande (5) à l'alésage longitudinal (37).
11. Soupape selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisée en ce que la connexion entre l'espace de commande (5) et l'alimentation en fluide sous pression
(2) est pourvue d'un étranglement d'entrée (40).
12. Soupape selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisée en ce que la connexion entre l'alimentation en fluide sous pression (2) et l'espace de commande
(5) est pourvue d'un étranglement de sortie (41).
13. Soupape selon l'une quelconque des revendications 5 à 12, caractérisée en ce que l'espace de commande (5) est connecté par le biais d'une conduite de connexion (36)
à un espace de commande d'aiguille (34), la conduite de connexion (36) partant de
la connexion entre l'alimentation en fluide sous pression (2) et l'espace de commande
(5) entre l'étranglement d'entrée (40) et l'étranglement de sortie (41) dans la direction
de l'espace de commande d'aiguille (34).
14. Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la région haute pression (4) est connectée par le biais d'un perçage (50) dans l'aiguille
d'injecteur (23) à un espace de commande d'aiguille (34).