DE102018200357A1

DE102018200357A1 - Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE102018200357A1
Application number: DE102018200357.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Glaser; Martin Buehner; Matthias Boee; Christian Suenkel; Stefan Cerny; Marcel Behringer; Frank Mueller; Axel Heinstein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2019-07-11
Also published as: KR20200103717A; JP2021510191A; WO2019137679A1; CN111566336A; US20210222657A1

Abstract

Das erfindungsgemäße Ventil, insbesondere Brennstoffeinspritzventil zeichnet sich dadurch aus, dass eine besonders exakt ausgerichtete Ventilnadel (3) vorliegt. Das Brennstoffeinspritzventil (1) umfasst einen erregbaren Aktuator (10) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer an dem Ventilsitzkörper (5) ausgebildeten Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und Abspritzöffnungen (7), die stromabwärts der Ventilsitzfläche (6) ausgebildet sind. Der Ventilschließkörper (4) ist kugelförmig ausgebildet und als Teil einer entlang einer Ventillängsachse (40) axial bewegbaren Ventilnadel (3) mit einem stiftförmigen massiven Ventilnadelschaft (45) fest verbunden. Ein Berührbereich von Ventilnadelschaft (45) und Ventilschließkörper (4) liegt radial außerhalb der Ventillängsachse (40) und läuft ringförmig um.Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
In der 1 ist ein bekanntes Ventil in der Form eines Brennstoffeinspritzventils gezeigt. Ein solches Ventil ist beispielsweise aus der DE 10 2010 038 437 A1 bekannt. Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum von Brennkraftmaschinen. Das Ventil besitzt einen Elektromagneten als erregbaren Aktuator zur Betätigung eines Ventilschließkörpers, der zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper ausgebildeten Ventilsitzfläche einen Dichtsitz bildet, und wenigstens eine Abspritzöffnung, die stromabwärts der Ventilsitzfläche ausgebildet ist. Der Ventilschließkörper ist kugelförmig ausgebildet und als Teil einer entlang einer Ventillängsachse axial bewegbaren Ventilnadel mit einem stiftförmigen massiven Ventilnadelschaft an seinem Kugelpol fest verbunden.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zum Zumessen eines Fluids mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich durch eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit aus. Erfindungsgemäß liegt ein Berührbereich eines stiftförmigen massiven Ventilnadelschafts und eines kugelförmigen Ventilschließkörpers einer Ventilnadel radial außerhalb der Ventillängsachse und läuft ringförmig um. Der kugelförmige Ventilschließkörper berührt den Ventilnadelschaft nicht mehr mit seinem Kugelpol, sondern an einem radial weiter außen liegenden Berührkreis. Der kugelförmige Ventilschließkörper wird gegenüber dem Ventilnadelschaft zentriert. In vorteilhafter Weise kann die Drehung des Ventilnadelschafts während des Schweißprozesses bei entsprechender Anpresskraft mittels Reibung übertragen werden. Dies führt zu einem besseren Rundlauf der beiden verschweißten Bauteile und wirkt sich positiv auf Funktion und Verschleißverhalten aus, vor allen Dingen zwischen Ventilschließkörper und Ventilsitz. Insgesamt kann eine vereinfachte Anlagentechnik zur Herstellung der festen Verbindung verwendet werden; zudem ist ein sehr stabiler Schweißprozess garantiert, bei dem die Neigung zu Schweißspritzern minimiert ist, die Rissneigung reduziert ist und eine axiale Positionsempfindlichkeit behoben ist. Die erfindungsgemäßen Designvarianten ermöglichen das Verschweißen mittels einer Wärmeleit-Schweißnaht, die folgende Vorteile gegenüber einer Tiefschweißnaht hat:

- deutlich geringere Neigung zu Schweißspritzern,
- geringerer Verzug, der zu einem besseren Rundlauf von Ventilschließkörper zu Ventilnadelschaft im verschweißten Zustand führt,
- höhere Festigkeit aufgrund des größeren Anbindequerschnitts, wodurch die Gefahr eines Nahteinfalls vermieden ist,
- geringere Rissneigung in der Schweißnaht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, dass der kugelförmige Ventilschließkörper auf seiner dem Ventilnadelschaft abgewandten unteren Seite mit einer Beschichtung versehen ist. Die Beschichtung erfolgt in idealer Weise mit einer amorphen Kohlenstoffschicht, wie DLC (diamond-like carbon).
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 einen schematischen Schnitt durch ein Brennstoffeinspritzventil in einer bekannten Ausgestaltung mit einem an einem Ventilnadelschaft einer Ventilnadel befestigten kugelförmigen Ventilschließkörper,
2 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Ventilnadelendes als Ausschnitt II - V von 1 gemäß dem Stand der Technik,
3 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
4 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung und
5 ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein in 1 dargestelltes bekanntes Beispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine. Allgemein ist die Erfindung anwendbar bei Ventilen zum Zumessen eines Fluids.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 besteht aus einem Düsenkörper 2, in welchem eine entlang einer Ventillängsachse 40 axial bewegliche Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht mit einem kugelförmigen Ventilschließkörper 4 in Wirkverbindung, der mit einer an einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Ventilsitzkörper 5 und Düsenkörper 2 können auch einteilig ausgeführt sein. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1, welches über wenigstens eine Abspritzöffnung 7 verfügt, typischerweise aber wenigstens zwei Abspritzöffnungen 7 aufweist. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist jedoch idealerweise als Mehrloch-Einspritzventil ausgeführt und hat deshalb zwischen vier und dreißig Abspritzöffnungen 7. Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen ein Ventilgehäuse 9 abgedichtet. Als Antrieb dient z.B. ein elektromagnetischer Kreis, der eine Magnetspule 10 als Aktuator umfasst, die in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt ist, welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt. Der Innenpol 13 und das Ventilgehäuse 9 sind durch eine Verengung 26 voneinander getrennt und miteinander durch ein nicht ferromagnetisches Verbindungsbauteil 29 verbunden. Die Magnetspule 10 wird über eine Leitung 19 von einem über einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben, die am Innenpol 13 angespritzt sein kann. Alternativ sind auch piezoelektrische oder magnetostriktive Aktuatoren verwendbar.
Die Ventilnadel 3 ist in einer Ventilnadelführung 14 geführt, welche z.B. scheibenförmig ausgeführt ist. Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe 15. Auf der anderen Seite der Einstellscheibe 15 befindet sich ein Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit dem ersten Flansch 21 verbunden ist. Auf dem ersten Flansch 21 stützt sich eine Rückstellfeder 23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine Einstellhülse 24 auf Vorspannung gebracht wird.
In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und an einem Führungskörper 41 verlaufen Brennstoffkanäle 30, 31 und 32. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffverteilerleitung und durch eine weitere Dichtung 36 gegen einen nicht weiter dargestellten Zylinderkopf abgedichtet.
Auf der stromabwärtigen Seite des Ankers 20 ist ein ringförmiges Dämpfungselement 33, welches aus einem Elastomerwerkstoff besteht, angeordnet. Es liegt auf einem zweiten Flansch 34 auf, welcher über eine Schweißnaht 35 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 verbunden ist.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, dass der Ventilschließkörper 4 an der Ventilsitzfläche 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem Innenpol 12 und dem Anker 20 befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgegeben ist. Der Anker 20 nimmt den ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab, und der Brennstoff wird durch die Abspritzöffnungen 7 abgespritzt.
Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende erste Flansch 21 entgegen der Hubrichtung bewegt. Die Ventilnadel 3 wird dadurch in die gleiche Richtung bewegt, wodurch der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.
2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung eines der Ventilsitzfläche 6 zugewandten Ventilnadelendes als Ausschnitt II - V von 1 gemäß dem Stand der Technik. Bei einer solchen bekannten Ventilnadel 3 wird der stiftförmige massive Ventilnadelschaft 45 mittig im Bereich der Ventillängsachse 40 auf den kugelförmigen Ventilschließkörper 4 aufgesetzt. Zur Herstellung der festen Verbindung von Ventilnadelschaft 45 und Ventilschließkörper 4 wird der Ventilschließkörper 4 erst an die ebene Stirnseite des Ventilnadelschafts 45 angedrückt, während nachfolgend mittels Laserschweißen eine umlaufende Tiefschweißnaht oder mehrere über den Umfang verteilte Schweißpunkte um den mittleren Berührbereich herum erzeugt werden.
Um gute Rundlaufeigenschaften der Ventilnadel 3 und eine exakte Ausrichtung von Ventilnadelschaft 45 und Ventilschließkörper 4 zueinander zu erreichen, ist die Herstellung der festen Verbindung zwischen beiden Bauteilen relativ aufwändig. Entweder müssen nämlich die beiden Bauteile 4, 45 beim Verschweißen separat angetrieben werden, wobei eine exakte Angleichung der Drehgeschwindigkeiten von Ventilnadelschaft 45 und Ventilschließkörper 4 erforderlich ist, um Risse während des Schweißens und nachfolgenden Abkühlens zu vermeiden. Oder alternativ muss die Laseroptik während des Schweißprozesses um die fest stehenden Bauteile Ventilnadelschaft 45 und Ventilschließkörper 4 bewegt werden, was einen besonders hohen und kostspieligen Aufwand für die Schweißanlage bedeutet.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine in der Herstellung vereinfachte Ventilnadel 3 für ein Ventil bereitzustellen, die einen sicheren und zuverlässig haltbaren Verbindungsbereich mit einer Schweißnaht ohne Nahteinfall aufweist und dabei alle Anforderungen an die Rundlaufgenauigkeit und die Bauteilausrichtung erfüllt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Berührbereich von stiftförmigem massiven Ventilnadelschaft 45 und kugelförmigem Ventilschließkörper 4 radial außerhalb der Ventillängsachse 40 liegt und ringförmig umläuft.
3 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel 3 in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung. Bei dieser Ausführung weist das dem Ventilschließkörper 4 zugewandte untere Ende des Ventilnadelschafts 45 von der unteren Stirnfläche ausgehend eine Sacklochbohrung 50 auf, die als Zentrierbohrung dient. Die Sacklochbohrung 50 läuft zum Ventilschließkörper 4 hin in einem Kegelstumpfbereich 51 aus, an den der kugelförmige Ventilschließkörper 4 zur verbesserten Kugelzentrierung angelegt wird. Die Berührung des Ventilschließkörpers 4 am Ventilnadelschaft 45 liegt also an dessen Kegelstumpfbereich 51 weitgehend linien- und ringförmig vor.
4 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel 3 in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung. Bei dieser Ausführung weist das dem Ventilschließkörper 4 zugewandte untere Ende des Ventilnadelschafts 45 von der unteren Stirnfläche ausgehend eine Ausnehmung in Form eines Kugelkalottenbereichs 52 auf, der ebenfalls als Zentrierhilfe dient. An den Kugelkalottenbereich 52 wird der kugelförmige Ventilschließkörper 4 zur verbesserten Kugelzentrierung angelegt. Der Durchmesser des Kugelkalottenbereichs 52 ist dabei geringfügig kleiner als der Durchmesser des kugelförmigen Ventilschließkörpers 4, um sicherzustellen, dass die Berührung des Ventilschließkörpers 4 immer am äußeren Rand Kugelkalottenbereichs 52 des Ventilnadelschafts 45 vorliegt.
5 zeigt ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel 3 in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung. Bei dieser Ausführung weist das dem Ventilschließkörper 4 zugewandte untere Ende des Ventilnadelschafts 45 von der unteren Stirnfläche ausgehend einen Kegelbereich 53 auf, der der Zentrierung des Ventilschließkörpers 4 dient. An den Kegelbereich 53 wird der kugelförmige Ventilschließkörper 4 zur verbesserten Kugelzentrierung angelegt. Die Berührung des Ventilschließkörpers 4 am Ventilnadelschaft 45 liegt also an dessen Kegelbereich 53 weitgehend linien- und ringförmig vor.
In allen Ausführungsbeispielen kann der kugelförmige Ventilschließkörper 4 auf seiner dem Ventilnadelschaft 45 abgewandten unteren Seite mit einer Beschichtung, z.B. einer DLC-Beschichtung (diamond-like carbon) versehen sein.
Die Darstellung der Verbindungsbereiche der Ventilnadel 3 in den 3 bis 5 ist nur schematisch und nicht exakt maßstäblich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010038437 A1 [0002]

Claims

Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum, für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem erregbaren Aktuator (10) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildeten Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und wenigstens einer Abspritzöffnung (7), die stromabwärts der Ventilsitzfläche (6) ausgebildet ist, wobei der Ventilschließkörper (4) kugelförmig ausgebildet ist und als Teil einer entlang einer Ventillängsachse (40) axial bewegbaren Ventilnadel (3) mit einem stiftförmigen massiven Ventilnadelschaft (45) fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Berührbereich von Ventilnadelschaft (45) und Ventilschließkörper (4) radial außerhalb der Ventillängsachse (40) liegt und ringförmig umläuft.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (4) durch seine weitgehend linienförmige Berührung am Ventilnadelschaft (45) zentriert zu diesem anlegbar und befestigbar ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Ventilschließkörper (4) zugewandte untere Stirnfläche des Ventilnadelschafts (45) einen Kegelbereich (53) aufweist, an den der Ventilschließkörper (4) anlegbar ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Ventilschließkörper (4) zugewandte untere Stirnfläche des Ventilnadelschafts (45) eine als Zentrierbohrung dienende Sacklochbohrung (50) aufweist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sacklochbohrung (50) zum Ventilschließkörper (4) hin in einem Kegelstumpfbereich (51) ausläuft, an den der kugelförmige Ventilschließkörper (4) anlegbar ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Ventilschließkörper (4) zugewandte untere Stirnfläche des Ventilnadelschafts (45) eine Ausnehmung in Form eines Kugelkalottenbereichs (52) aufweist, an den der Ventilschließkörper (4) anlegbar ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Kugelkalottenbereichs (52) geringfügig kleiner als der Durchmesser des kugelförmigen Ventilschließkörpers (4) ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kugelförmige Ventilschließkörper (4) auf seiner dem Ventilnadelschaft (45) abgewandten unteren Seite mit einer Beschichtung versehen ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit einer amorphen Kohlenstoffschicht, wie DLC (diamond-like carbon) erfolgt.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Verbindung von Ventilnadelschaft (45) und Ventilschließkörper (4) mittels Verschweißen durch das Anbringen einer Wärmeleit-Schweißnaht herstellbar ist.