STEUERVENTIL FÜR EINEN KRAFTSTOFFINJEKTOR

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend ein hubbewegliches Ventilschließelement (1) zum Freigeben und Verschließen eines in einem Ventilstück (2) ausgebildeten Ablaufkanals (3), wobei das Ventilschließelement (1) mit einem den Ablaufkanal (3) begrenzenden Ventilsitz (4) zusammenwirkt, ferner umfassend einen Stift (5) zur Führung des Ventilschließelements (1), wobei der Stift (5) unter Ausbildung eines Führungsspalts (6) zumindest abschnittsweise in einer das Ventilschließelement (1) durchsetzenden Bohrung (7) aufgenommen ist. Erfindungsgemäß besitzt der Stift (5) eine Außenkontur (8), die mit einer den Ablaufkanal (3) begrenzenden Innenkontur (9) des Ventilstücks (2) oder mit einer die Bohrung (7) begrenzenden Innenkontur (10) des Ventilschließelements (1) eine außerhalb des Führungsspalts (6) liegende Drosselstelle (11) ausbildend zusammenwirkt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 044 357 A1 geht ein Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor hervor, das eine einen Druckraum begrenzende Steuerhülse aufweist, die in ihrer Längsrichtung beweglich gelagert ist. Die Steuerhülse wirkt hierbei mit einem Ventilsitz zusammen, der an einem Ventilkörper ausgebildet ist. Der Ventilkörper bildet zugleich eine mit dem Druckraum in hydraulischer Verbindung stehende Ausnehmung aus, die derart ausgebildet ist, dass bei schwankendem Druck im Druckraum, einerseits die Steuerhülse und andererseits die Ausnehmung im Ventilkörper radial aufgeweitet werden. Durch diese Maßnahme sollen Relativbewegungen der Steuerhülse gegenüber dem Ventilsitz gering gehalten werden, was wiederum einen verminderten Verschleiß zur Folge hat. Der Druckraum führt jedoch zu einer Vergrößerung der abzuführenden Absteuermenge. Um das Volumen des Druckraums zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass ein in der Steuerhülse aufgenommener Führungsstift einen in den Druckraum hineinragenden Fortsatz besitzt. Der Fortsatz weist im Verhältnis zum Innendurchmesser der Steuerhülse einen verringerten Durchmesser auf.

[0003] Der in den Druckraum hineinragende Fortsatz des Führungsstifts eines derartige Steuerventils gelangt damit in die Nähe eines Ablaufkanals, in dem eine Ablaufdrossel ausgebildet ist. Wird die Ablaufdrossel kavitierend betrieben, können Dampfblasen entstehen, die von dem Kraftstoff in den Druckraum transportiert werden und dort aufgrund des erhöhten statischen Drucks implodieren. Erfolgt die Implosion nahe dem Fortsatz des Führungsstifts, kann dies zu einer Materialabtragung, der sogenannten Kavitationserosion, an der Oberfläche des Fortsatzes führen.

[0004] Um dies zu vermeiden, kann die axiale Ausdehnung des Druckraums und damit der Abstand des Fortsatzes zur Ablaufdrossel vergrößert werden (siehe beigefügte Fig. 1a und 1b). Allerdings hat sich zugleich gezeigt, dass mit Vergrößerung der axialen Ausdehnung des Druckraums die Gefahr eines Kavitationsschadens im Saumbereich des Führungsstifts steigt. Als "Saumbereich" wird ein umlaufender Absatz außen am Führungsstift bezeichnet, der zwischen dem Durchmesser des Fortsatzes und dem Führungsdurchmesser vermittelt.

[0005] Die erhöhte Gefahr eines Kavitationsschadens im Saumbereich lässt sich damit erklären, dass durch die größere axiale Ausdehnung des Druckraums das Verhalten der Druckwellen verändert wird, die stromabwärts der Ablaufdrossel entstehen. Während sich die Frequenz verringert, nimmt die Amplitude der Druckwelle deutlich zu. Der Effekt wird durch die Querschnittsverengung im Saumbereich nochmals verstärkt, so dass dieser Bereich besonders kritisch ist. Durch die hohe Amplitude der Druckwelle kann der statische Druck (im Wellental) unter den Dampfdruck fallen, so dass lokal Dampfblasen entstehen. Mit Stabilisierung bzw. Anstieg des statischen Drucks implodieren diese, so dass es zu den bereits erwähnten Kavitationsschäden kommt.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem, anzugeben, bei dem die vorstehend genannten Probleme nicht oder nur in deutlich gemindertem Maße auftreten.

[0007] Zur Lösung der Aufgabe wird das Steuerventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor mit einem solche Steuerventil vorgeschlagen.

Offenbarung der Erfindung

[0008] Das für einen Kraftstoffinjektor in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem, vorgeschlagene Steuerventil umfasst ein hubbewegliches Ventilschließelement zum Freigeben und Verschließen eines in einem Ventilstück ausgebildeten Ablaufkanals, wobei das Ventilschließelement mit einem den Ablaufkanal begrenzenden Ventilsitz zusammenwirkt. Ferner umfasst das Steuerventil einen Stift zur Führung des Ventilschließelements, wobei der Stift unter Ausbildung eines Führungsspalts zumindest abschnittsweise in einer das Ventilschließelement durchsetzenden Bohrung aufgenommen ist. Erfindungsgemäß besitzt der Stift eine Außenkontur, die mit einer den Ablaufkanal begrenzenden Innenkontur des Ventilstücks oder mit einer die Bohrung begrenzenden Innenkontur des Ventilschließelements eine außerhalb des Führungsspalts liegende Drosselstelle ausbildend zusammenwirkt.

[0009] Die Ausbildung der Drosselstelle hat zur Folge, dass Druckwellen, die im Ablaufkanal oder in sich hieran anschließenden Bereichen entstehen, gedämpft werden. Mit Dämpfung der Druckwellen bzw. der Druckspitzen nimmt auch das Kavitationsrisiko ab. Dadurch, dass die Drosselstelle außerhalb des Führungsspalts ausgebildet wird, kommt der Saumbereich hinter, d. h. stromabwärts, der Drosselstelle zu liegen. Auf diese Weise wird der Saumbereich effektiv geschützt. Denn um den Saumbereich zu erreichen, muss die Druckwelle den engen Drosselquerschnitt passieren, wobei die Druckwelle Energie verliert.

[0010] Die Realisierung der Drosselstelle kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen.

[0011] Bevorzugt ist der Stift zur Ausbildung der Außenkontur einfach oder mehrfach gestuft ausgeführt. Das heißt, dass der Stift bevorzugt unterschiedliche Außendurchmesser besitzt. Die gestufte Ausführung kann daher alternativ oder ergänzend dazu genutzt werden, einen in den Ablaufkanal eintauchenden zapfenförmigen Abschnitts mit verringertem Außendurchmesser auszubilden. Der in den Ablaufkanal eintauchende zapfenförmige Abschnitt verringert das Volumen des Ablaufkanals und damit die Absteuermenge, was sich insbesondere bei Einsatz des Steuerventils in einem Kraftstoffinjektor zur Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel als Vorteil erweist.

[0012] Ferner kann der zapfenförmige Abschnitt oder ein anderer Abschnitt des gestuft ausgeführten Stifts dazu genutzt werden, mit einer Innenkontur des Ventilstücks oder des Ventilschließelements die Drosselstelle ausbildend zusammenzuwirken.

[0013] Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die drosselbildende Außenkontur an einem in den Ablaufkanal eintauchenden zapfenförmigen Abschnitt des Stifts ausgebildet. Aufgrund des verringerten Außendurchmessers des zapfenförmigen Abschnitts gegenüber dem Führungsdurchmesser des Stifts wirkt dabei der zapfenförmige Abschnitt mit einer den Ablaufkanal begrenzenden Innenkontur des Ventilstücks eine Drosselstelle ausbildend zusammen. Die Drosselstelle kommt demnach noch innerhalb des Ablaufkanals zu liegen.

[0014] Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die drosselbildende Außenkontur an einem Abschnitt des Stifts ausgebildet, der den zapfenförmigen Abschnitt mit einem Führungsabschnitt verbindet. Auch dieser Abschnitt des Stifts kann einen gegenüber dem Führungsdurchmesser reduzierten Außendurchmesser besitzen. Ist dies der Fall, weist vorzugsweise das Ventilschließelement eine die Bohrung begrenzende Innenkontur auf, die mit der Außenkontur des Stifts die Drosselstelle ausbildend zusammenwirkt. Die Innenkontur des Ventilschließelements weist hierzu einen verringerten Innendurchmesser auf.

[0015] Alternativ oder ergänzend zu einer gestuften Ausführung des Stifts wird vorgeschlagen, dass der Stift zur Ausbildung der Außenkontur mindestens einen umlaufenden Einstich besitzt. Der Einstich führt zur Freilegung einer Außenkontur, die zumindest gegenüber dem Einstich einen vergrößerten Außendurchmesser besitzt und somit zur Ausbildung der Drosselstelle genutzt werden kann. Vorzugsweise ist der Einstich im Bereich eines verlängerten Führungsabschnitts des Stifts angeordnet, so dass die freigelegte Außenkontur einen dem Führungsdurchmesser entsprechenden Außendurchmesser besitzt.

[0016] Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Ventilschließelement mindestens einen umlaufenden Hinterstich besitzt. Der Hinterstich kann zur Ausbildung der Innenkontur genutzt werden, die mit der Außenkontur des Stifts die Drosselstelle ausbildend zusammenwirkt. Alternativ oder ergänzend kann der Hinterstich zur Ausbildung eines Ringraums zwischen dem Stift und dem Ventilschließelement genutzt werden. Der Ringraum stellt vorzugsweise den erforderlichen Abstand zwischen der Drosselstelle und dem Führungsspalt her.

[0017] Vorteilhafterweise ist die Drosselstelle außerhalb eines Hauptströmungspfads des Kraftstoffstoffs angeordnet, der vom Ablaufkanal über den Ventilsitz in einen Entlastungsraum führt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Drosselstelle keinen Einfluss auf die Strömung einer über den Ablaufkanal abgeführten Absteuermenge hat. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Drosselstelle außerhalb des Ablaufkanals zu liegen kommt, d. h. wenn die Außenkontur des Stifts mit einer Innenkontur des Ventilschließelements die Drosselstelle ausbildend zusammenwirkt.

[0018] In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ablaufkanal eine Ablaufdrossel umfasst, der ein Diffusor und/oder ein Kanalabschnitt mit vergrößertem Innendurchmesser nachgeschaltet ist, so dass der Strömungsquerschnitt in Richtung des Ventilsitzes zunimmt. Auf diese Weise wird die Strömung durch den Ablaufkanal optimiert. Ferner kann ein besonders verschleißarmes Steuerventil realisiert werden, da das mit einem Ventilschließelement gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik kaum zu Relativbewegungen gegenüber dem Ventilsitz neigt.

[0019] Der den Ablaufkanal begrenzende Ventilsitz kann dabei flach oder konisch geformt sein.

[0020] Zur Steuerung der Hubbewegung des Ventilschließelements umfasst das Steuerventil bevorzugt einen Elektromagneten, mittels dessen auf einen Anker einwirkbar ist. Der Anker kann mit dem Ventilschließelement verbunden sein oder das Ventilschließelement selbst ausbilden. Im letztgenannten Fall ist ein separat ausgeführtes Ventilschließelement entbehrlich, so dass die Anzahl der Bauteile reduziert werden kann. Dies vereinfacht den Aufbau des Steuerventils und senkt die Herstellungskosten. Ferner kann das Steuerventil kompaktbauender gestaltet werden.

[0021] Schließlich wird ein Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem erfindungsgemäßen Steuerventil zur Steuerung der Hubbewegung einer hubbeweglichen Düsennadel vorgeschlagen, über deren Hubbewegung mindestens eine Einspritzöffnung freigebbar und verschließbar ist. Hier kommen die Vorteile eines erfindungsgemäßen Steuerventils besonders gut zum Tragen, so dass der Einsatz in einem Kraftstoffinjektor als bevorzugte Anwendung anzusehen ist.

[0022] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1a-b

jeweils einen schematischen Längsschnitt durch ein bekanntes Steuerventil,

Fig. 2a

einen schematischen Längsschnitt durch ein bekanntes Steuerventil im Bereich seines Ventilsitzes,

Fig. 2b-f

jeweils einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Steuerventil gemäß einer bevorzugter Ausführungsform und

Fig. 3

einen schematischen Längsschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes Steuerventil gemäß einer bevorzugter Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

[0023] Den schematische Darstellungen der Fig. 1a und 1b ist jeweils ein bereits bekanntes Steuerventil zu entnehmen, das insbesondere für den Einsatz in einem Kraftstoffinjektor geeignet ist. Die beiden Steuerventile unterscheiden sich lediglich in Bezug auf die Länge eines Ablaufkanals 3 im Bereich eines Kanalabschnitts 20, der gegenüber einer im Ablaufkanal 3 ausgebildeten Ablaufdrossel 18 und einem sich hieran anschließenden Diffusor 19 einen deutlich vergrößerten Innendurchmesser besitzt. Die Verlängerung des Kanalabschnitts 20 hat zur Folge, dass der axiale Abstand zwischen einem Stift 5, der zumindest abschnittsweise in einer Bohrung 7 eines hubbeweglichen Ventilschließelements 1 aufgenommen ist, und der Ablaufdrossel 18 des Ablaufkanals 3 steigt, so dass die Gefahr eines Kavitationsschadens im Bereich eines in den Ablaufkanal 3 eintauchenden zapfenförmigen Abschnitts 12 des Stifts 5 gemindert ist.

[0024] Der Stift 5 dient jeweils der Führung des Ventilschließelements 1, das zum Öffnen und Schließen eines den Ablaufkanal 3 begrenzenden Ventilsitzes 4 hubbeweglich in dem Steuerventil aufgenommen ist. Der Ventilsitz 4 ist wie der Ablaufkanal 3 in einem Ventilstück 2 ausgebildet. Bei geöffnetem Ventilsitz 4 verbindet der Ablaufkanal 3 einen Steuerraum 22 mit einem Entlastungsraum 17, was einen Druckabfall im Steuerraum 22 zur Folge hat. Über den Druckabfall kann wiederum der Öffnungshub einer Düsennadel (nicht dargestellt) des Kraftstoffinjektors initiiert werden.

[0025] Ausgehend von der in der Fig. 1b dargestellten Bauform gilt es das Kavitationsrisiko stromaufwärts eines Führungsspalts 6 zwischen dem Ventilschließelement 1 und dem Stift 5 zu mindern. Eine vergrößerte Darstellung des Steuerventils der Fig. 1b im Bereich des Ventilsitzes 4 ist in der Fig. 2a dargestellt.

[0026] Um das Kavitationsrisiko in einem dem Führungsspalt 6 vorgelagerten Bereich zu mindern, kann eine Außenkontur 8 des Stifts 5, eine Innenkontur 9 des Ventilstücks 2 und/oder eine Innenkontur 10 des Ventilschließelements 1 derart modifiziert werden, dass eine dem Führungsspalt 6 vorgelagerte Drosselstelle 11 ausgebildet wird. Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 2b-f sowie in der Fig. 3 dargestellt, die nachfolgend näher beschrieben werden.

[0027] Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2b weist der zapfenförmige Abschnitt 12 des Stifts 5 eine Aufweitung auf, so dass die Außenkontur 8 des zapfenförmigen Abschnitts 12 mit der Innenkontur 9 des Ventilstücks 2 die Drosselstelle 11 ausbildend zusammenwirkt.

[0028] Alternativ hierzu kann, wie in der Fig. 2c dargestellt, der Innendurchmesser des Ablaufkanals 3 des Ventilstücks 2 verkleinert werden. Die Drosselstelle 11 kommt auch in diesem Fall im Bereich des Ablaufkanals 3 zu liegen.

[0029] Um die Drosselstelle 11 zu verlagern, so dass sie außerhalb des Ablaufkanals 3 zu liegen kommt, kann der Stift 5 verlängert werden, so dass gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2d eine Außenkontur 8 des Stifts 5 mit einer Innenkontur 10 des Ventilschließelements 1 die Drosselstelle 11 ausbildend zusammenwirkt. Denn durch die Verlängerung des Stifts 5 schiebt sich dieser weiter in den Ablaufkanal 3 hinein, so dass ein Abschnitt 23 mit einem Außendurchmesser, der zwischen dem des zapfenförmigen Abschnitts 12 und dem eines Führungsabschnitts 14 liegt, im Bereich eines verringerten Innendurchmessers der Bohrung 7 des Ventilschließelements 1 zu liegen kommt. Um eine definierte Drosselstelle 11 auszubilden, schließt sich an den Bereich mit verringertem Innendurchmesser ein Bereich mit vergrößertem Innendurchmesser an, der durch einen Hinterstich 16 innerhalb der Bohrung 7 des Ventilschließelements 1 geschaffen wird. Dies führt zur Ausbildung eines Ringraums 15 zwischen dem Stift 5 und dem Ventilschließelement 1. Der Hinterstich 16 definiert ferner den Führungsspalt 6, der sich an den Ringraum 15 anschließt.

[0030] Alternativ zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2d kann, wie in der Fig. 2e dargestellt, auch der Hinterstich 16 innerhalb der Bohrung 7 des Ventilschließelements 1 verkleinert werden. Der Stift 5 muss in diesem Fall nicht modifiziert werden. Allerdings verkleinert sich damit auch der Ringraum 15 bzw. der axiale Abstand der Drosselstelle 11 zum Führungsspalt 6.

[0031] Soll der axiale Abstand beibehalten werden, kann, entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2f, der mittlere Abschnitt 23 des Stifts 5 zu Lasten des zapfenförmigen Abschnitts 12 verlängert werden.

[0032] Eine weitere Alternative zur Ausbildung der Drosselstelle 11 ist der Fig. 3 zu entnehmen. Hier weist der Stift 5 einen verlängerten Führungsabschnitt 14 auf, so dass dieser in den Ringraum 15 hineinragt. Mittels eines Einstichs 13 kann ein umlaufender Ringbund freigestellt werden, der eine Außenkontur 8 besitzt, die mit einer Innenkontur 10 des Ventilschließelements 1 die Drosselstelle 11 ausbildend zusammenwirkt. Die Innenkontur 10 kann in diesem Fall sogar im Bereich des Hinterstichs 16 liegen.

[0033] Wie der Fig. 3 ferner zu entnehmen ist, kann das Ventilschließelement 1 durch einen hubbeweglichen Anker ausgebildet werden, der vorliegend als Flachanker ausgeführt ist. Zur Einwirkung auf den Anker ist ein Elektromagnet 21 vorgesehen, der Bestandteil des Steuerventils ist.

Ansprüche

1. Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend ein hubbewegliches Ventilschließelement (1) zum Freigeben und Verschließen eines in einem Ventilstück (2) ausgebildeten Ablaufkanals (3), wobei das Ventilschließelement (1) mit einem den Ablaufkanal (3) begrenzenden Ventilsitz (4) zusammenwirkt, ferner umfassend einen Stift (5) zur Führung des Ventilschließelements (1), wobei der Stift (5) unter Ausbildung eines Führungsspalts (6) zumindest abschnittsweise in einer das Ventilschließelement (1) durchsetzenden Bohrung (7) aufgenommen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (5) eine Außenkontur (8) besitzt, die mit einer den Ablaufkanal (3) begrenzenden Innenkontur (9) des Ventilstücks (2) oder mit einer die Bohrung (7) begrenzenden Innenkontur (10) des Ventilschließelements (1) eine außerhalb des Führungsspalts (6) liegende Drosselstelle (11) ausbildend zusammenwirkt.

2. Steuerventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (5) zur Ausbildung der Außenkontur (8) und/oder eines in den Ablaufkanal (3) eintauchenden zapfenförmigen Abschnitts (12) mit verringertem Außendurchmesser einfach oder mehrfach gestuft ausgeführt ist.

3. Steuerventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (5) zur Ausbildung der Außenkontur (8) mindestens einen umlaufenden Einstich (13) besitzt, der vorzugsweise im Bereich eines verlängerten Führungsabschnitts (14) des Stifts (5) angeordnet ist.

4. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließelement (1) zur Ausbildung der Innenkontur (10) und/oder eines Ringraums (15) zwischen dem Stift (5) und dem Ventilschließelement (1) mindestens einen umlaufenden Hinterstich (16) besitzt.

5. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle (11) außerhalb eines Hauptströmungspfads des Kraftstoffstoffs angeordnet ist, der vom Ablaufkanal (3) über den Ventilsitz (4) in einen Entlastungsraum (17) führt.

6. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ablaufkanal (3) eine Ablaufdrossel (18) umfasst, der ein Diffusor (19) und/oder ein Kanalabschnitt (20) mit vergrößertem Innendurchmesser nachgeschaltet ist, so dass der Strömungsquerschnitt in Richtung des Ventilsitzes (4) zunimmt.

7. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der den Ablaufkanal (3) begrenzende Ventilsitz (4) flach oder konisch geformt ist.

8. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil zur Steuerung der Hubbewegung des Ventilschließelements (1) einen Elektromagneten (21) umfasst, mittels dessen auf einen Anker einwirkbar ist, der mit dem Ventilschließelement (1) verbunden ist oder das Ventilschließelement (1) ausbildet.

9. Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Steuerung der Hubbewegung einer hubbeweglichen Düsennadel, über deren Hubbewegung mindestens eine Einspritzöffnung freigebbar und verschließbar ist.

Zeichnung