Stand der Technik
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetventil zur Steuerung eines Einspritzventils
gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs. Derartige Magnetventile dienen zur Steuerung
eines Einspritzventils einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einer Ventilnadel,
deren Öffnungs- und Schließstellung durch das Magnetventil steuerbar sind.
[0002] Das Magnetventil weist eine Ventilkugel auf, die bei Bestromung der Magnetgruppe
des Magnetventils abhebt und einen Ventilsitz öffnet. Dieser Ventilsitz steht über
eine Bohrung in Fluidverbindung mit dem Steuerdruckraum des Einspritzventils. Bei
einem Öffnen des Ventilsitzes baut sich der Druck im Druckraum des Einspritzventils
ab, wobei Fluid (Druckmedium) über die Bohrung in Richtung Ventilsitz und weiter in
einen Entlastungsraum strömt. In Folge kommt es zum Öffnen der Ventilnadel bzw. Öffnen
des Injektors.
[0003] Nach dieser bekannten Arbeitsweise arbeitet der Common-Rail-Injektor (CRI), wobei
eine Haupt- und eine Voreinspritzung bei sehr kurzen Einspritzzeiten realisiert werden
können. Ein derartiges Magnetventil ist beispielsweise aus der DE 196 50 865 A1 bekannt.
[0004] Es hat sich gezeigt, daß am Ventilsitz des Ventilstücks bei Testläufen z.T. massive
Schäden auftreten können, die durch Kavitation verursacht sind. Die im Ventilstück
verlaufende Bohrung besteht zunächst aus einer sogenannten zylindrischen A-Drossel,
die sich über eine Vorbohrung an den Steuerdruckraum des Einspritzventils anschließt,
und aus der darauffolgenden zylindrischen Diffusorbohrung, die zum Ventilsitz führt.
Die Kavitationsschäden treten im Bereich des abrupten Übergangs Diffusorbohrung/Ventilsitz
auf. Durch diese Schädigungen kommt es zu einem "Unterspülen" der Sitzkante. Mit zunehmendem
Schädigungsgrad kommt es zum Ausbrechen dieser Kante und damit zum Totalausfall des
Injektors. Damit verbunden ist das Liegenbleiben des Fahrzeugs. Um das beschriebene
Problem zu lösen, muß die Bildung der Kavitationsblasen vermindert und der Ort der
Implosion etwaiger verbleibender Blasen an eine Stelle verlagert werden, an der diese
keinen Einfluß mehr auf die korrekte Injektor-Funktion haben.
Vorteile der Erfindung
[0005] Das erfindungsgemäße Magnetventil gemäß Hauptanspruch weist eine Bohrung auf, die
zumindest zum Teil einen oder mehrere in Richtung Ventilsitz sich kontinuierlich im
Querschnitt verbreiternde Abschnitte beinhaltet. Hierdurch werden scharfkantige Übergänge
innerhalb der Bohrung, insbesondere im Übergangsbereich von A-Drossel zur Diffusorbohrung,
vermieden. Günstig ist eine konische Geometrie des sich verbreitenden Abschnitts.
[0006] Es hat sich nämlich gezeigt, daß beim Durchströmen des Fluids (Druckmedium) durch
die sogenannte A-Drossel an der stromabwärts befindlichen, fertigungstechnisch bedingten,
scharfkantigen Austrittskante zur Diffusorbohrung ein starker Strömungsabriß erfolgt.
Dort können sich dann Totwasser- und Rezirkulationsgebiete ausbilden. Diese führen
unter Umständen zu Schwankungen in der Reproduzierbarkeit der durchströmenden Menge
des Fluids sowie zur Bildung von Unterdruckzonen und Kavitationsblasen.
[0007] Im weiteren Verlauf der Bohrung legt sich die Strömung wieder an die Bohrungswandung
an. Kurz vor der im weiteren Verlauf stromabwärts folgenden Drosselstelle am Ventilsitz
steigt der Druck im Medium wieder an und die im Flüssigkeitsstrom schwimmenden Kavitationsblasen
implodieren und rufen, sofern dies an der Wand des Strömungskanals geschieht, die
genannten Kavitationsschäden hervor.
[0008] Durch die erfindungsgemäß ausgestaltete Bohrung des Magnetventils wird die Strömungsgeometrie
im Ventilstück derart geändert, daß ein nahezu turbulenzfreier Übergang des Mediums
von der A-Drossel zum Ventilsitz ohne die beschriebenen negativen Auswirkungen erreicht
werden kann.
[0009] Besonders vorteilhaft ist, wenn der Übergang von der A-Drossel zur Diffusorbohrung
mit kontinuierlich sich erweiternden Querschnitt ausgebildet wird, so daß die Bohrung
insgesamt aus drei ineinander übergehenden Abschnitten besteht. Es kann durch diese
Maßnahme ein Abreißen der Strömung an der bisher vorhandenen scharfkantigen Austrittskante
verhindert werden.
[0010] Es hat sich weiterhin gezeigt, daß es vorteilhaft ist, wenn die Bohrung in drei Abschnitte,
nämlich A-Drossel und Diffusorbohrung anschließend den im Querschnitt verbreiternden
Abschnitt und die Diffusorbohrung, unterteilt wird, wobei A-Drossel und Diffusorbohrung
im wesentlichen die gleiche Länge aufweisen. Bei bisherigen Ausgestaltungen schließt
sich die A-Drossel unmittelbar an die Diffusorbohrung an, wobei letztere eine größere
Länge als erstere aufweist. In der vorliegenden Ausgestaltung können sowohl die A-Drossel
als auch die Diffusorbohrung deutlich verkürzt werden, wodurch der Druck insbesondere
in der Diffusorbohrung erniedrigt wird. Zusammen mit dem im Querschnitt sich kontinuierlich
verbreiternden beispielsweise konischen Übergangsbereich zwischen A-Drossel und Diffusorbohrung
erhält man eine optimale Form des Strömungskanals, in dem keine Kavitationsblasen
ausgebildet oder Implosionen dieser Blasen beobachtet werden.
[0011] In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung weist die dem Ventilsitz vorangehende
Bohrung mehrere, insbesondere konisch sich in Richtung Ventilsitz verbreiternde Abschnitte
auf. Einen guten Strömungsverlauf kann man erhalten, wenn den beiden zylindrischen
Bohrungen, nämlich A-Drossel und Diffusorbohrung, jeweils ein konisch ausgebildeter
Abschnitt folgt. Hierdurch kann insbesondere die Länge der (zylindrischen) Diffusorbohrung
herabgesetzt werden, so dass der Druckanstieg innerhalb der Diffusorbohrung nicht
mehr ausreicht, um etwaige entstandene Kavitationsblasen implodieren zu lassen. Die
sich den zylindrischen Bohrungen anschließenden konischen Abschnitte verhindern, wie
bereits erwähnt, einen Strömungsabriß und damit die Ursache der Ausbildung von Kavitationsblasen.
[0012] Die Öffnungswinkel der in Richtung Ventilsitz aufeinanderfolgenden konischen Abschnitte
nehmen geeigneterweise zu, so dass ein schrittweiser Übergang auf den Öffnungswinkel
des Ventilsitzes erfolgen kann. Dies bewirkt einen äußerst günstigen Strömungsverlauf.
[0013] Die sich im Querschnitt kontinuierlich verbreiternden Abschnitte können auf einfache
mechanische Weise dadurch erzeugt werden, daß der Übergang zwischen den Bohrungen,
wie A-Drossel und Diffusorbohrung, jeweils verrundet wird. Dadurch wird die bisher
existierende scharfen Kante eines Übergangs bereits bei der Herstellung so bearbeitet,
daß ein optimaler Strömungskanal geschaffen werden kann.
Zeichnung
[0014] Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachfolgend zusammen mit den
beigefügten Figuren erläutert werden.
[0015] Es zeigen:
- Figur 1
- einen Schnitt durch das Ventilstück eines Magnetventils in der bisherigen Ausführungsform,
- Figur 2
- den Schnitt durch das Ventilstück eines erfindungsgemäßen Magnetventils und
- Figur 3
- den Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Ventilstücks eines erfindungsgemäßen
Magnetventils.
[0016] In Figur 1 ist die bisherige Ausführung eines Ventilstücks 1 eines Magnetventils
zur Steuerung eines Einspritzventils dargestellt. Die Bohrung 2 führt zum Steuerdruckraum
des Einspritzventils und steht über eine weitere Drosselbohrung mit dem Ventilsitz
4 des Entlastungsraumes 3 des Magnetventils in Fluidverbindung. Die Drosselbohrung
ist aus der sogenannten A-Drossel 6 und der darauffolgenden Diffusorbohrung 5 gebildet,
wobei an der Übergangsstelle zwischen den zylindrischen Bohrungen eine abrupte Querschnittsänderung
auftritt.
[0017] Bei Bestromung des Magnetventils hebt eine nicht dargestellte Ventilkugel im Entlastungsraum
3 vom Ventilsitz 4 ab, wodurch sich der Druck im Ventilraum in Richtung Ventilkugel
abbauen kann, indem ein Druckmedium, zumeist Kraftstoff unter Hochdruck, von der Bohrung
2 über die Drosselbohrung in den Entlastungsraum 3 strömt. Der hierdurch verursachte
Druckabfall in der Bohrung 2 sich stromaufwärts anschließenden Steuerdruckraum führt
dazu, daß die Ventilnadel des Einspritzventils sich öffnet und Kraftstoff unter Hochdruck
eingespritzt wird.
[0018] In Figur 1 wird das Gebilde aus A-Drossel 6 und Diffusorbohrung 5 hier als Drosselbohrung
bezeichnet. Bei einem Hindurchströmen von Fluid (Druckmedium wie Kraftstoff unter
Hochdruck) durch diese Drosselbohrung findet an der scharfen Kannte des Übergangs
von A-Drossel 6 zur Diffusorbohrung 5 ein Abreißen der Strömung statt. Dies führt
zu Turbulenzen mit sich ausbildenden Totwasser- und Rezirkulationsgebieten. Das Auseinanderreißen
der Strömung läßt Kavitationsblasen entstehen, die in Hochdruckgebieten stark verdichtet
werden, woraus die Gefahr der Implosion resultiert. In der Nähe des Ventilsitzes implodierende
Kavitationsblasen können Beschädigungen verursachen, die im weiteren Verlauf zu einem
"Unterspülen" des Ventilsitzes 4 führen können, mit der Folge, daß das ordnungsgemäße
Öffnen und Schließen des Magnetventils und damit des Injektors nicht mehr garantiert
werden können.
[0019] Figur 2 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Magnetventils im Bereich des
Ventilsitzes 4. Gleiche Teile aus der Figur 1 sind in Figur 2 mit denselben Bezugszeichen
versehen. Erfindungsgemäß ist ein Abschnitt 7 mit sich kontinuierlich erweiterndem
Querschnitt in der Drosselbohrung zwischen der zum Steuerdruckraum führenden Bohrung
2 und dem Entlastungsraum 3 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt
7 durch ein Verfahren zum Verrunden des Bohrungsübergangs zwischen A-Drossel 6 und
Diffusorbohrung 5 hergestellt. Gleichzeitig sind sowohl die A-Drossel 6 als auch die
Diffusorbohrung 5 im Vergleich zur bekannten Ausführung gemäß Figur 1 deutlich verkürzt.
Die Strömungsgeometrie kann durch diese Maßnahmen in einer Weise verbessert werden,
daß Kavitationsschäden weitestgehend vermieden werden. Dadurch trägt die Erfindung
erheblich zur Ausfallsicherheit derartiger Ventile, wie sie für Common-Rail-Injektoren
verwendet werden, bei.
[0020] Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetventils im Bereich des Ventilsitzes
4 zeigt Fig. 3. Bei dieser Ausgestaltung schließt sich an die zum Steuerdruckraum
des Einspritzventils führende Bohrung 2 wiederum die sogenannte A-Drossel 6 als zylindrische
Bohrung mit deutlich vermindertem Querschnitt an. Hier folgt erfindungsgemäß ein erster
konischer Abschnitt 9 mit Öffnungswinkel α. Daran schließt sich eine im Vergleich
zu früheren Ausführungsformen (siehe Fig. 1) deutlich verkürzte Diffusorbohrung 10
von zylindrischer Gestalt an. Bei dieser Ausführungsform ist auch die Diffusorbohrung
10 von einem sich im Querschnitt konisch erweiternden Abschnitt 11 gefolgt, der im
Ventilsitz 4 mündet. Der konische Abschnitt 11 weist einen Öffnungswinkel β auf.
[0021] Bei dem vorliegenden Beispiel ist der Öffnungswinkel α zu 50°, der Winkel β zu 60°
gewählt. Insgesamt wird hierdurch der Öffnungswinkel des Strömungskanals sukzessive
erweitert, um dann in den Ventilsitz überzugehen. Durch diese Maßnahme kann der Strömungsverlauf
äußerst günstig beeinflusst werden. Die Kombination mit der stark verkürzten Diffusorbohrung
10 vermeidet zu starke Druckanstiege, die eventuell vorhandene Kavitationsblasen implodieren
lassen könnten. Die komplette Kontur des Strömungskanals der Bohrung 8 ist in Fig.
3 schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet.
[0022] Vorliegende Erfindung ist bei beliebigen Bohrungsquerschnitten einsetzbar, wobei
selbstverständlich auch mehr als zwei sich im Querschnitt verbreiternde Abschnitte
innerhalb der Bohrung 8 zweckmäßig sein können. In der Praxis hat sich gezeigt, dass
der in Fig. 3 gezeigte Aufbau ausreichend ist, um das Auftreten von Kavitationsschäden
zu verhindern und somit die Funktionssicherheit insbesondere von Common-Rail-Injektoren
zu erhöhen.
1. Magnetventil zur Steuerung eines Einspritzventils einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
wobei das Magnetventil eine Ventilkugel aufweist, die auf einen Ventilsitz (4) eines
Entlastungsraums (3) aufbringbar ist, der über eine Bohrung (8) mit dem Steuerdruckraum
des Einspritzventils in Fluidverbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Bohrung (8) zumindest zum Teil einen oder mehrere in Richtung Ventilsitz (4) sich
kontinuierlich im Querschnitt verbreiternde Abschnitte (7; 9, 11) aufweist.
2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (8) aus drei ineinander übergehenden Abschnitten (5, 7, 6) besteht, von
denen sich zumindest der mittlere Abschnitt (7) kontinuierlich im Querschnitt verbreitert.
3. Magnetventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem mittleren Abschnitt (7) benachbarten Abschnitte (5, 6) im wesentlichen die
gleiche Länge aufweisen.
4. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (8) zwei sich im Querschnitt kontinuierlich verbreiternde Abschnitte
(9, 11) aufweist, die sich jeweils einen Abschnitt (6, 10) konstanten Durchmessers
anschließen.
5. Mangnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sich kontinuierlich verbreiternden Abschnitte (7; 9, 11) konische Gestalt besitzen.
6. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungswinkel (α, β) aufeinanderfolgender sich im Querschnitt verbreiternder
Abschnitte (9, 11) in Richtung Ventilsitz (4) zunehmen.
7. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die sich kontinuierlich im Querschnitt verbreiternden Abschnitte (9, 11)
durch Verrundung zweier Bohrungsübergänge hergestellt sind.