DE19716041A1

DE19716041A1 - Elektromagnetisch betätigbares Ventil

Info

Publication number: DE19716041A1
Application number: DE19716041A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr Espey
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: FR2762363A1; DE19716041C2; FR2779485A1; GB2324355A; ITRM980232A0; GB9808086D0; ITRM980232A1; IT1299413B1; US6068236A; GB2324355B; FR2762363B1; FR2779485B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisch betätigba res Ventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Ventil einer Einspritzvorrichtung ist aus der DE 34 06 198 C2 bekannt. Das elektromagnetisch betätigbare Ventil weist einen Ventilsitz, einen Ventilschaft mit einem Führungsteil, einen Ventilteller, eine elektromagnetische Stellvorrichtung und eine Feder auf. Das Ventil ist über das Führungsteil axial beweglich in der Ventilführung geführt. Die Stellvorrichtung und die Feder führen das Ventil in die End stellungen. In der Schließstellung des Ventils liegt der Ven tilteller am Ventilsitz an. Das Führungsteil weist eine Schul ter auf, die zwischen sich und dem Ventilteller einen Steuer raum mit einer Kraftstoffdruckbohrung ausbildet. In dem Steuer raum wirken hydraulische Kräfte auf die Schulter und den Ven tilteller.

Ein Nachteil des oben erwähnten Ventils liegt darin, daß sich über die Laufzeit des Ventils die hydraulischen Verhältnisse im Steuerraum zu einem Ungleichgewicht hin verändern. Der Ventil teller arbeitet sich über seine Laufzeit in den Ventilsitz ein, wodurch sich der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser des Ven tils und damit die auf den Ventilteller wirkende hydraulische Kraft erheblich vergrößert und ein früheres Öffnen des Ventils oder in extremen Fällen ein ungewolltes Öffnen des Ventils be reits bei der Einspritzung bewirkt.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die DE 30 06 576 C2 verwiesen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Ventil derart auszubil den, daß eine optimale Schließ- und Öffnungsfunktion des Ven tils über dessen Gesamtlaufzeit gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Begrenzung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers die hydraulischen Kräfte im Steuerraum im wesentlichen im Gleichge wicht sind und dadurch die für die Schließstellung des Ventils verantwortliche Magnetkraft der Stellvorrichtung geringer aus gelegt werden kann. Ein ungewolltes Öffnen des Ventils in der Schließphase ist wirksam verhindert. Der abrasive Verschleiß am Ventilsitz durch Partikel, die über den Kraftstoff transpor tiert werden, hat nur vernachlässigbare Auswirkungen auf die Schließ- und Öffnungsfunktion des Ventils. Selbst über eine lange Laufzeit des Ventils bleiben die hydraulischen Verhält nisse im Steuerraum in etwa gleich.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist im folgenden die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher er läutert, und zwar zeigen:

Fig. 1 in einem Schnitt ein elektromagnetisch betätigbares Ventil, ähnlich dem der gattungsbildenden DE 34 06 198 C2, in Schließstellung mit einem Ventilsitz und einem Ventilkörper, wobei der Ventilteller unter Ausbildung eines hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers gegen den Ventilsitz anliegt, mit einer Feder und einer elektro magnetischen Stellvorrichtung,

Fig. 2 in einem ersten Ausführungsbeispiel einen Ausschnitt eines elektromagnetisch betätigbaren Ventiles in Schnittdarstellung, wobei erfindungsgemäß der hydrau lisch wirksame Sitzdurchmesser durch die Ventilkörper geometrie begrenzt ist, und

Fig. 3 in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen Ausschnitt eines elektromagnetisch betätigbaren Ventiles in Schnittdarstellung, wobei erfindungsgemäß der hydrau lisch wirksame Sitzdurchmesser durch die Ventilsitzgeo metrie begrenzt ist.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein elektromagnetisch betätigtes Ventil 1, 1 ₁ und 1 ₂, wobei jeweils der obere Bereich der Figuren das Ventil 1, 1 ₁, 1 ₂ im Neuzustand und der untere Bereich das Ven til 1, 1 ₁, 1 ₂ nach einer gewissen Laufzeit darstellt. Gleiche Bauteile in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen gekenn zeichnet.

Fig. 1 zeigt ein gattungsgemäßes Ventil 1, das in einem Gehäuse 2 beispielsweise einer Kraftstoffeinspritzpumpe eingesetzt ist und einen Ventilsitz 3 und einen Ventilkörper 4 aufweist. Der Ventilkörper 4 umfaßt einen Ventilteller 5 und einen Ventil schaft 6 mit einem Führungsteil 7, wobei das Führungsteil 7 ei ne Schulter 8 ausbildet. Das Ventil 1 ist über das Führungsteil 7 in einer Ventilführung 9 des Gehäuses 2 axial beweglich ge führt und kann geöffnet oder geschlossen werden, wobei in der Schließstellung des Ventils 1 der Ventilteller 5 unter Ausbil dung eines hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. dichtend gegen den Ventilsitz 3 anliegt.

Über eine elektromagnetische Stellvorrichtung 10 sowie eine Fe der 11 ist das Ventil 1 in seine Endlagen d. h. in die Offen- oder Schließstellung führbar, wobei die elektromagnetische Stellvorrichtung 10 in Schließrichtung 12 und die Feder 11 in Öffnungsrichtung 13 das Ventils 1 wirkt.

Zwischen der Schulter 8 des Führungsteiles 7 und dem Ventiltel ler 5 ist ein Steuerraum 14 mit einer Kraftstoffdruckbohrung 15, die zur Einspritzpumpe führt, ausgebildet. An dem Ventil teller 5 greift eine hydraulische Kraft F_{ö hydr.} in Öffnungsrich tung 13 und an der Schulter 8 greift eine hydraulische Kraft F_{S hydr.} in Schließrichtung 12 des Ventils 1 an. Im Idealzustand des Ventils 1, was im vorliegenden Fall der Neuzustand des Ven tils 1 ist, entspricht der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. dem Durchmesser D der Ventilführung bzw. -bohrung 9, wodurch sich die hydraulischen Verhältnisse F_{ö hydr.} :F_{s hydr.} im Steuerraum 14 im Gleichgewicht befinden. Die hydraulische Kraft F_{s hydr.}, die auf die Schulter 8 des Führungsteiles 7 in Schließ richtung 12 des Ventils 1 wirkt, entspricht in diesem Idealzu stand genau der hydraulischen Kraft F_{ö hydr.} die auf den Ventil teller 5 in Öffnungsrichtung 13 des Ventils 1 wirkt, wobei die hydraulische Kraft F_{ö hydr.} in Öffnungsrichtung 13 vom hydrau lisch wirksamen Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. und die hydraulische Kraft F_{s hydr.} in Schließrichtung 12 vom Durchmesser D der Ven tilführung 9 abhängig ist.

Beim Schließen wird das axial bewegliche Ventil 1 durch die Ma gnetkraft F_M der elektromagnetischen Stellvorrichtung 10 entge gen der Federkraft F_F der Öffnungsfeder 11 in Schließrichtung 12 verschoben, wobei der Ventilteller 5 am Ventilsitz 3 an liegt. Bei der Öffnungsbewegung des Ventils 1 bewirkt die Feder 11 eine entgegengesetzte Bewegung des Ventils 1 in Öffnungs richtung 13 und damit ein Abheben des Ventiltellers 5 vom Ven tilsitz 3.

Mit Einarbeiten des Ventiltellers 5 in den Ventilsitz 3 und ei ner damit verbundenen Sitzverbreiterung über die Laufzeit des Ventils 1, wie im unteren Bereich der Fig. 1 gezeigt, ändern sich die hydraulischen Verhältnisse F_{ö hydr.} : F_{s hydr.} und dadurch die gesamte Kräftebilanz am Ventil 1. Die Sitzverbreiterung des Ventils 1 führt zu einer Vergrößerung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. wie in Fig. 1 dargestellt. Damit er fährt das Ventil 1 eine resultierende hydraulische Kraft F_{ö hydr.} in Öffnungsrichtung 13. Diese resultierende Kraft F_{ö hydr.} in Öffnungsrichtung 13 wirkt neben der Federkraft F_F der für das Schließen des Ventils 1 verantwortlichen Magnetkraft F_M entge gen und bewirkt ein ungewolltes vorzeitiges Öffnen des Ventils 1. Beim Einsatz des Ventils 1 in einer Einspritzpumpe würde dies ein ungewolltes vorzeitiges Öffnen während der Einsprit zung bedeuten. Schon bei einer geringfügigen Vergrößerung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. wird die Ma gnetkraft F_M durch die Federkraft F_F und die hydraulische Kraft F_{ö hydr.} in Öffnungsrichtung 13 überwunden.

Um zu verhindern, daß sich die hydraulische Kraft F_{ö hydr.} in Öffnungsrichtung 13 über die Laufzeit des Ventils 1 zu stark erhöht und somit zum einwandfreien Funktionieren des Ventils 1 eine Erhöhung der für das Schließen verantwortlichen Magnet kraft F_M nötig wird, wird erfindungsgemäß der hydraulisch wirk same Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. des Ventils 1 zwangsweise be grenzt. Im Idealfall bewirkt die Begrenzung ein Kräftegleichge wicht zwischen den hydraulischen Kräften F_{ö hydr.} und F_{s hydr.} im Steuerraum 14, wodurch nur noch die Federkraft F_F und die Ma gnetkraft F_M auf das Ventil 1 einwirken. Außerhalb des Ideal falls bewirkt die Begrenzung des hydraulisch wirksamen Sitz durchmessers, daß sich die hydraulische Kraft F_{ö hydr.} in Öff nungsrichtung 13 in einem unkritischen Bereich bewegt und somit kein ungewolltes Öffnen des Ventils erfolgt. Eine Begrenzung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. kann, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, durch die Geometrie des Ventilkörpers 4 oder des Ventilsitzes 3 erfolgen.

Fig. 2 zeigt die Begrenzung des hydraulisch wirksamen Sitz durchmessers d_hydr.wirk. durch die Geometrie des Ventilkörpers 4 ₁. Eine Verkleinerung des Außendurchmessers d_a1 des Ventiltellers 5 ₁ im Bereich des Ventilsitzes 3 ₁ führt im Gegensatz zum Außen durchmesser d_a des Ventiltellers 5 aus Fig. 1 zwangsweise zu einer Begrenzung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr.wirk., so daß die in der Schließstellung des Ventils 1 ₁ auf die Schulter 8 des Führungsteiles 7 und den Ventilteller 5 ₁ wirkenden Kräfte F_{ö hydr.}, F_{s hydr.} im wesentlichen gleich sind. Der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. bleibt über die Laufzeit des Ventils 1 ₁ in etwa gleich.

Als weitere Möglichkeit zur Begrenzung des hydraulisch wirksa men Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. eines Ventils wäre ein mit einem Außenradius kreislinienförmig abdichtendes Ventil denkbar. Da durch ergibt sich ausgehend von einer hydraulisch nicht idealen aber dennoch unkritischen Ausgangsposition (Neuzustand des Ven tils), nach Einarbeiten des Ventils über seine Laufzeit, eine Verkleinerung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr.wirk., da sich das Ventil von außen nach innen in den Ventilsitz einarbeitet, und somit eine Verbesserung der hydraulischen Ver hältnisse. Den höchsten Wert weist der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. im Neuzustand auf, der so gewählt wird, daß er sich noch im unkritischen Bereich befindet, d. h. die hydraulische Kraft F_{ö hydr.} auf den Ventilteller bewirkt noch kein ungewolltes Öffnen des Ventils.

In Fig. 3 erfolgt die Begrenzung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. durch die Geometrie des Ventilsitzes 3 ₂. Das Ventil 1 ₂ liegt im Neuzustand mit einem etwas größeren hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. an einer abste henden Kante 16 des Ventilsitzes 3 ₂ an, wobei sich der Sitz durchmesser d_hydr.wirk. aber noch im unkritischen Bereich befin det. Über die Laufzeit des Ventils 1 ₂ arbeitet sich der Ventil sitz 3 ₂ nach außen und innen ein, wodurch der hydraulisch wirk same Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. unverändert und daher weiterhin unkritisch bleibt. Die in der Schließstellung des Ventils 1 ₂ auf den Ventilteller 5 ₂ wirkende hydraulische Kraft F_{ö hydr.} ist nur unwesentlich höher als die auf die Schulter 8 des Führungs teiles 7 wirkende hydraulische Kraft F_{s hydr.} und bewirkt kein ungewolltes Öffnen des Ventils 1 ₂ in der Schließphase.

Als weitere Möglichkeit zur Begrenzung des hydraulisch wirksa men Sitzdurchmessers d_hydr.wirk. durch die Ventilsitzgeometrie wäre ein Bund am Gehäuse als Ventilsitz denkbar, wodurch das Ventil sich nur in eine auf den Bund begrenzte Fläche einarbei ten könnte und der hydraulische wirksame Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. dadurch eine Begrenzung erfährt.

Ferner könnte der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser d_hydr.wirk. durch die Ventilkörpergeometrie oder die Ventilsitzgeome trie derart begrenzt werden, daß er dem Durchmesser D der Ven tilführung 9 entspricht.

Claims

1. Elektromagnetisch betätigbares Ventil mit einem Ventilsitz und einem Ventilkörper, der einen Ventilschaft, welcher ein mit einer Schulter versehenes Führungsteil ausbildet, über welches das Ventil axial beweglich in einer Ventilführung geführt ist, und einen Ventilteller umfaßt, der in der Schließstellung des Ventils unter Ausbildung eines hydraulisch wirksamen Sitzdurch messers gegen den Ventilsitz anliegt, mit einer elektromagneti schen Stellvorrichtung und einer Feder, durch welche das Ventil in die Endstellungen führbar ist, wobei zwischen der Schulter des Führungsteiles und dem Ventilteller ein Steuerraum mit ei ner Kraftstoffdruckbohrung ausgebildet ist, und wobei in dem Steuerraum hydraulische Kräfte auf die Schulter und den Ventil teller wirken, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser (d_{hydr. wirk.}) des Ventils (1 ₁, 1 ₂) derart begrenzt ist, daß die in der Schließstellung des Ventils (1 ₁, 1 ₂) auf die Schulter (8) des Führungsteiles (7) und den Ventilteller (5 ₁, 5 ₂) wirkenden hy draulischen Kräfte (F_{ö hydr.}, F_{s hydr.}) im wesentlichen im Gleich gewicht sind.

2. Elektromagnetisch betätigbares Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser (d_hydr.wirk.) durch die Geometrie des Ventilkörpers (4 ₁) begrenzt ist.

3. Elektromagnetisch betätigbares Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser (d_hydr.wirk.) durch die Geometrie des Ventilsitzes (3 ₂) begrenzt ist.

4. Elektromagnetisch betätigbares Ventil gemäß Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser (d_hydr.wirk.) dem Durchmesser (D) der Ventilführung (9) entspricht.