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Magnet-Überströmventil - Dokument DE3541938C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3541938C2 23.02.1995
Titel Magnet-Überströmventil
Anmelder Lucas Industries p.l.c., Birmingham, West Midlands, GB
Erfinder Best, Christopher Howard, Acton, London, GB;
Lakin, David Franz, Churchdown, Gloucester, GB;
Simpkins, Timothy Mark, Wembley, GB
Vertreter Stellrecht, W., Dipl.-Ing. M.Sc.; Grießbach, D., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Haecker, W., Dipl.-Phys.; Böhme, U., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 70182 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 27.11.1985
DE-Aktenzeichen 3541938
Offenlegungstag 12.06.1986
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.02.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.1995
IPC-Hauptklasse F02M 51/04
IPC-Nebenklasse F16K 3/26   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Magnet-Überströmventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein derartiges Ventil ist aus der gattungsbildenden GB-21 35 758 A bekannt. Bei dem bekannten Ventil erweitern sich der konische Ventilsitz und die konische Dichtfläche des Ventilelements in Strömungsrichtung bzw. in Richtung auf den Auslaß des Ventils, wobei eine an dem Ventilelement vorgesehene Ringfläche eine druckausgeglichene Ringfläche bildet, so daß zum Schließen des Ventils eine Federkraft oder dgl. zwingend erforderlich ist. Andererseits öffnet sich der konische Ventilsitz derart in eine Kammer am Auslaß des Ventils, daß sich zunächst eine Strömung längs der Kammerwand und dann eine radiale Strömung zu einem Auslaß der Kammer ergibt, ohne daß auf das Ventilelement stromabwärts vom Auslaß des Ventils eine Kraft in axialer Richtung ausgeübt würde.

Überströmventile der betrachteten Art werden allgemein in Kraftstoff-Einspritzsystemen mit einer Kraftstoffpumpe eingesetzt.

Während des Betriebes der Pumpe wird dem Magnetventil elektrischer Strom über ein elektrisches Steuer- bzw. Regelsystem zugeführt, welches auf verschiedene Betriebsparameter der Brennkraftmaschine anspricht, welcher der Kraftstoff zugeführt werden soll, und während des Einspritzhubes der Hochdruckpumpe wird das Ventil geschlossen, um die Kraftstoffeinspritzung einzuleiten, und dann wieder geöffnet, wenn die geforderte Kraftstoffmenge durch das Einspritzventil ausgegeben wurde. Es ist daher wichtig, daß das Magnetventil so schnell wie möglich von seiner Offenstellung in seine Schließstellung und umgekehrt gebracht werden kann, wobei das Ventil in seiner Offenstellung keine Druckschwankungen und damit verbundene Geräusche hervorrufen sollte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Ventil anzugeben, mit dem die vorstehend angesprochenen Ziele einfach und bequem realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Magnet-Überströmventil gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Aus dem Fachbuch "Das Einspritzgesetz der schnellaufenden Dieselmaschine" von E. Blaum, VDI-Verlag GmbH, 1942, Seiten 109 bis 117, sind zwar bereits Ventile für Kraftstoff-Einspritzsysteme bekannt, bei denen sich ein konischer Ventilsitz und eine damit zusammenwirkende konische Dichtfläche eines Ventilelements in Richtung auf einen Ventilauslaß verjüngen; bei diesen bekannten Ventilen handelt es sich jedoch nicht um elektromagnetisch betätigte Überströmventile, sondern um die Einspritzventile selbst, bei denen im Hinblick auf eine starke, auf das Ventilelement einwirkende Federvorspannung sowie hinsichtlich der maximalen Durchflußmenge völlig andere Strömungsverhältnisse vorliegen als bei einem Überströmventil der betrachteten Art.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzpumpe mit zugehörigem Magnetventil und einem Steuer- bzw. Regelsystem und

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines Magnetventils gemäß der Erfindung.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Hochdruckpumpe mit einem Zylinder 10, in dem ein Pumpenkolben bzw. ein Stößel 11 hin- und herbeweglich montiert ist, wobei der Stößel 11 mit Hilfe einer von einem zugeordneten Motor angetriebenen Nocke (nicht dargestellt) angetrieben wird. In der Wand des Zylinders 10 ist eine Öffnung 12 vorgesehen, welche mit einer Kraftstoffquelle 13 in Verbindung steht, in der der Kraftstoff mit niedrigem Druck zur Verfügung steht - vorzugsweise ist die Quelle eine von der Brennkraftmaschine angetriebene Niederdruckpumpe.

Mit dem Zylinder 10 steht ferner ein Auslaß 14 in Verbindung, der im Gebrauch mit einer Kraftstoffeinspritzdüse 15 der zugehörigen Brennkraftmaschine verbunden ist. Außerdem steht mit dem Zylinder 10 der Einlaß 16 eines Magnetventils 17 in Verbindung, dessen Auslaß 18 mit einem Ablauf oder mit Einlaß oder Auslaß der Niederdruckpumpe - Quelle 13 - verbunden sein kann. Das Magnetventil umfaßt eine Erregerwicklung, welcher ein elektrischer Strom über ein Steuer- bzw. Regelsystem 19zugeführt werden kann, welches in bekannter Weise Signale empfängt, welche die verschiedenen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (Ist-Werte) und die gewünschten Betriebsparameter (Soll-Werte) anzeigen.

Im Betrieb wird bei geöffnetem Ventil 17, wenn sich der Stößel 11 nach oben und in den Zylinder 10 hineinbewegt, ein Punkt erreicht, an dem die Öffnung 12 geschlossen wird, und der Kraftstoff wird anschließend aus der durch den Zylinder 10 und den Stößel 11 definierten Pumpkammer durch das offene Ventil 17 verdrängt bzw. gefördert. Dabei wird kein Kraftstoff durch den Auslaß 14 ausgegeben, da die Einspritzdüse ein Druckventil mit einem federbelasteten Ventilelement enthält.

Wenn es erwünscht ist, der zugehörigen Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzuführen, wird das Ventil 17 geschlossen, und der Kraftstoff in der Pumpkammer wird auf den Druckpegel zusammengepreßt, bei dem das Ventil der Einspritzdüse 15 geöffnet wird und damit den Kraftstofffluß zum zugeordneten Motor erlaubt. Wenn dann durch das System 19 entschieden wird, daß der Brennkraftmaschine eine ausreichende Kraftstoffmenge zugeführt wurde, wird das Magnetventil 17 geöffnet, woraufhin der Druck in der Pumpkammer absinkt und das Ventil der Einspritzdüse 15 geschlossen wird. Der Stößel 11 setzt dabei im allgemeinen seine Aufwärtsbewegung fort, und die aus der Pumpkammer verdrängte Kraftstoffmenge fließt nunmehr durch das Ventil 17 ab. Wenn der Stößel 11 das Ende seines Hubes erreicht und zurückkehrt, kann der Kraftstoff über das Ventil 17 in die Pumpkammer fließen; das Ventil 17 kann aber auch geschlossen werden, so daß nur dann Kraftstoff in den Zylinder 10 fließen kann, wenn die Öffnung 12 von dem Stößel 11 freigegeben wird.

Man sieht, daß das Schließen des Magnetventils 17 während des Einwärtshubes des Stößels 11 den Zeitpunkt des Beginns der Einspeisung von Kraftstoff zu der zugehörigen Brennkraftmaschine bestimmt und daß das Öffnen des Magnetventils die Unterbrechung des Kraftstoffflusses zur Brennkraftmaschine bestimmt. Zur Steuerung (Regelung) des Beginns der Kraftstoffeinspritzung und der eingespritzten Kraftstoffmenge ist es erforderlich, daß das Ventil 17 schnell und zuverlässig arbeitet.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Überströmventils gezeigt, welches ein Gehäuse 20 aufweist, in dem eine Bohrung 21 ausgebildet ist, deren einer Endbereich eine Ventilkammer 22 definiert. Ausgehend von dem Endbereich der Kammer 22 öffnet sich ein Auslaß 23, und rings um diesen Auslaß 23 ist ein konischer Sitz 24 vorgesehen, welcher sich in Richtung auf das Innere der Kammer öffnet und zur Auslaßseite hin verjüngt. Außerdem öffnet sich in die Kammer 22 ein Einlaßkanal 25, der mit dem Einlaß 16 des Ventils 17 (vgl. Fig. 1) verbunden ist, während der Auslaß 23 mit dem Auslaß 18 des Ventils 17 verbunden ist.

In der Bohrung 21 ist gleitverschieblich ein Ventilelement 33 angeordnet, welches sich durch die Kammer 22 erstreckt und zum Zusammenwirken mit dem Sitz 24 ausgebildet ist. Der im Inneren der Kammer befindliche Teil des Ventilelements 33 besitzt einen verringerten Durchmesser, um eine Ringfläche 27 zu definieren, die dem Druck in der Kammer 22 unabhängig davon ausgesetzt ist, ob das Ventil offen oder geschlossen ist.

Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Ventilgehäuse 20 über den Auslaß 23 hinaus, wobei letzterer durch eine mit der Bohrung 21 koaxiale Bohrung 31 definiert ist, deren Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung 21. Ausgehend von der Bohrung 31 sind Kanäle 32 vorgesehen, welche die Auslässe des Ventils bilden. Zusätzlich ist das Ventilelement 33 mit einer Verlängerung 34 versehen, die ein Teilstück 34A aufweist, welches von dem Ventilsitz 24 abgewandt ist und mit geringem Spiel von der Bohrung 31 aufgenommen wird, wobei jedoch derjenige Teil des Ventilelements 33, welcher unmittelbar stromabwärts von dem mit dem Ventilsitz 24 zusammenwirkenden Teil desselben vorgesehen ist, ein Teilstück 34B verringerten Durchmessers bildet. Das Teilstück 34B verringerten Durchmessers erweitert sich nach außen auf den Durchmesser des Teilstücks 34A. Die Verlängerung 34 ist mit einem Ausgangselement 35 einer elektromagnetischen Vorrichtung 36 verbunden, welche eine Erregerwicklung enthält, die auf eine Magnetkernanordnung gewickelt ist und die einen Anker umfaßt, welcher bei Erregung der Erregerwicklung das Ausgangselement 35 und das Ventilelement 33 in die in der Zeichnung gezeigte Position zieht, in der das Ventilelement 33 an dem konischen Ventilsitz 24 anliegt und damit einen Kraftstofffluß durch den Auslaß 23 verhindert. In dieser Position des Ventilelements haben die Luftspalte zwischen den Polflächen des Ankers und den Polflächen der Statoranordnung ihre geringste Breite.

Wenn sich das Ventilelement in seiner Schließstellung befindet und während der Einwärtsbewegung des Pumpstößels 11 nach dem Schließen der Öffnung 12 ist der Druck in der Ventilkammer 22 extrem hoch und entspricht dem Einspritzdruck des Kraftstoffes. Dieser Druck wirkt auf die Ringfläche 27, wodurch eine Kraft entsteht, die die Tendenz hat, das Ventilelement 33 von seinem Sitz 24 abzuheben. Dieser Kraft wird von derjenigen Kraft entgegengewirkt, die von der elektromagnetischen Vorrichtung 36 geschaffen wird, und da die oben erwähnten Luftspalte eine minimale Breite haben, hat die von der Vorrichtung 36 erzeugte Kraft ihren Maximalwert. Wenn die Erregerwicklung entregt wird, drückt die Kraft, welche auf die Ringfläche 27 wirkt, das Ventilelement 33 von dem Sitz 24 weg, und dem Anker der Vorrichtung 36 wird folglich eine entsprechende Bewegung erteilt. Der Kraftstoff fließt daher mit einer hohen Geschwindigkeit durch den ringförmigen Spalt, welcher zwischen dem Sitz 24 und dem Ventilelement 33 definiert ist. Der Kraftstoff erzeugt an der konischen Fläche des Ventilelements 33 eine Kraft, welche in axialer Richtung wirkt und die Kraft unterstützt, welche die Tendenz hat, das Ventil zu öffnen, nämlich die Druckkraft in der Kammer 22, welche auf die Ringfläche 27 wirkt. Das Ventil bewegt sich daher schnell in seine Offenstellung, während der Druck in der Kammer 22 schnell abfällt, wodurch ein schneller Druckabfall in der Pumpkammer erreicht wird.

Wenn während der Einwärtsbewegung des Pumpstößels 11 bei geschlossener Öffnung 12 die Kraftstoffeinspritzung eingeleitet werden soll, wird die Erregerwicklung der Vorrichtung 36 erregt. In dieser Situation ist der Druck in der Kammer 22 vergleichsweise niedrig, so daß die Druckkraft, welche auf die Ringfläche 27 wirkt, ebenfalls vergleichsweise niedrig ist. ,Während sich das Ventilelement in Richtung auf die Schließstellung bewegt, steigt der Druck in der Kammer 22 aufgrund der zunehmenden Verringerung des Strömungsquerschnitts für die Kraftstoffströmung an. Die Breite der Luftspalte der Vorrichtung 36 verringert sich jedoch im Verlauf der Bewegung des Ventilelements 33 in seine Schließstellung, so daß die Vorrichtung 36 trotzdem eine zunehmend größere Kraft erzeugt, die ausreicht, um die durch den Flüssigkeitsdruck an der Ringfläche 27 erzeugte Kraft sowie die axiale Komponente der Kraft zu überwinden, die durch die Kraftstoffströmung in dem kleiner werdenden Spalt zwischen dem Ventilelement 33 und dem Ventilsitz 24 erzeugt wird. Das Ventilelement 33 kann somit in seine Schließstellung bewegt werden.

Aus Fig. 2 wird ferner deutlich, daß der Einlaßkanal 25, welcher mit der Kammer 22 verbunden ist, in diese unter einem Winkel bezüglich der Achse 37 des Ventilelements 33 eintritt und daß die Kanäle 32 unter einem rechten Winkel zur Achse 37 verlaufen. Die Neigung des Kanals 25 ist so gewählt, daß der Kraftstofffluß durch diesen Kanal das Schließen des Ventilelements 33 gegen seinen Ventilsitz 24 nicht behindert. Wie oben ausgeführt, ergibt sich für das Ventilelement in der Schließstellung insofern, als der Druck in der Ventilkammer 22 betroffen ist, kein Druckausgleich. Das Ventilelement hat somit eine natürliche Tendenz zu öffnen, wodurch die Notwendigkeit für die Verwendung einer Öffnungsfeder vermieden wird.

Die Öffnungsgeschwindigkeit des Ventilelements hängt, zumindest in der Anfangsphase, von dem Druck in der Kammer 22 ab. Der Druck hängt seinerseits von der Geschwindigkeit der zugeordneten Brennkraftmaschine ab, und daher hängt die Geschwindigkeit, mit der das Ventil öffnet, von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab. Es gibt jedoch eine untere Grenze für diesen Druck, welche durch den Öffnungsdruck der Einspritzdüse bestimmt wird. Die Tatsache, daß die Öffnungsgeschwindigkeit von der Drehzahl abhängt, ist insofern nützlich, als sie bedeutet, daß die Ventil-Öffnungszeit, gemessen in Winkel-Graden der Drehung der Kurbelwelle, im wesentlichen konstant bleibt. Die tatsächlich für das Öffnen des Ventils verfügbare Kraft hängt von der Ringfläche 27 ab, und es ist sehr leicht möglich, diese Fläche bei der Herstellung des Ventilelements so zu ändern, daß die Öffnungskraft unabhängig vom Strömungsquerschnitt des Ventils ist.


Anspruch[de]
  1. Magnet-Überströmventil zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr von einer Hochdruck-Einspritzpumpe zu-den Einspritzventilen einer Brennkraftmaschine mit einem eine erste Bohrung aufweisenden Gehäuse, das angrenzend an einen Auslaß des Ventils an dem einen Ende der ersten Bohrung einen konischen Ventilsitz zum Zusammenwirken mit einer konischen Dichtfläche eines beweglichen Ventilelements aufweist, welches über eine elektromagnetische Stellvorrichtung in Schließrichtung beaufschlagbar ist und im Bereich der Ventilkammer an dem Ventilelement stromaufwärts von der Dichtfläche eine dem Auslaß zugewandte Ringfläche aufweist, wobei der Auslaß durch eine weitere, mit der ersten Bohrung koaxiale Bohrung in dem Gehäuse definiert ist, von der mindestens ein Auslaßkanal ausgeht, wobei das Ventilelement eine Verlängerung aufweist, welche in die weitere Bohrung hineinreicht, wobei der von der Sitzfläche abgewandte äußere Teil der Verlängerung mit geringem Spiel in der weiteren Bohrung aufgenommen ist und wobei ein Zwischenstück der Verlängerung, das zwischen diesem äußeren Teil und dem mit der Sitzfläche zusammenwirkenden Teil des Ventilelements liegt, einen verringerten Durchmesser aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Sitzfläche (24) und die konische Dichtfläche in Richtung auf den Auslaß (23) in Strömungsrichtung des Kraftstoffs bei geöffnetem Ventil verjüngt ausgebildet sind, daß die weitere Bohrung (31) einen kleineren Durchmesser hat als die erste Bohrung (21) und der Außendurchmesser der konischen Dichtfläche kleiner ist als der Außendurchmesser der Ringfläche (27), so daß an dem Ventilelement (33) durch die nicht druckausgeglichene Ringfläche (27) eine hydromechanische Kraft in Öffnungsrichtung erzeugt wird, und daß der zwischen dem äußeren Teil (34A) und dem mit der Sitzfläche (24) zusammenwirkenden Teil des Ventilelements (33) liegende Teil (34B) der Verlängerung (34), angrenzend an das Zwischenstück verringerten Durchmessers, einen Übergangsbereich aufweist, der sich nach außen auf den Durchmesser des von der Sitzfläche (24) abgewandten Teils (34A) der Verlängerung (34) erweitert.






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