EP1430218A1 - Ventil, insbesondere kraftstoffeinspritzventil - Google Patents

Ventil, insbesondere kraftstoffeinspritzventil

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EP1430218A1
EP1430218A1 EP02776723A EP02776723A EP1430218A1 EP 1430218 A1 EP1430218 A1 EP 1430218A1 EP 02776723 A EP02776723 A EP 02776723A EP 02776723 A EP02776723 A EP 02776723A EP 1430218 A1 EP1430218 A1 EP 1430218A1
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valve
annular groove
valve body
pressure
guide
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • F02M61/12—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type characterised by the provision of guiding or centring means for valve bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/16—Sealing of fuel injection apparatus not otherwise provided for

Definitions

  • Valve in particular fuel injection valve
  • the invention relates to a valve, in particular a fuel injection valve for a high-pressure accumulator injection system of an internal combustion engine.
  • valve needle In conventional fuel meters for the injection systems of internal combustion engines, the control of the fuel injection is typically carried out by means of a valve needle, which is sealingly guided and displaceably arranged in a valve body of an injection valve. At its tip, the valve needle has a valve needle seat, which together with a valve body seat of the valve body opens or closes at least one nozzle opening to the combustion chamber of the internal combustion engine. The at least one nozzle opening is typically arranged in the region of the valve body seat.
  • the sealing edges and fits in the fuel injector are subject to considerable mechanical stress in the prevailing pressures, which also fluctuates greatly during operation.
  • the tightness of the injection valve is particularly important in common rail systems, because in contrast to the periodic injection of conventional systems, these are permanently under the respective system pressure, so that leaks can lead to continuous injection.
  • a seal between the pressure chamber and the leakage chamber can only be made by means of a sealing gap, since any type of conventional elastic seals could not withstand the high pressure loads in the long run.
  • the sealing gap must be made very precisely so that the valve needle can be guided with low friction and at the same time as good a sealing effect as possible, even with fluctuating temperatures and the resulting material expansions.
  • Constantly high pressure on several gap seals results in a relatively large amount of leakage, which has a negative impact on the overall efficiency of the system.
  • One way to avoid this leakage is to reduce the guide play to a small value of 1.5 to 2.5 ⁇ m between the valve needle and valve body.
  • Another measure consists in coating the needle in the area of its guidance, for example in the form of carbon coatings. Even a large guide length (> 10 mm) of the valve needle can reduce the leakage.
  • the guide play is limited by manufacturing limits and by lubrication requirements and the guide length by the maximum dimensions of the injector.
  • a Z el of the invention is to minimize the leakage of a fuel injection valve of a high-pressure accumulator injection system.
  • valve body with a valve body seat and a valve needle with a valve needle seat guided in the valve body within a stationary circular cylindrical guide surface are provided with a valve needle seat
  • a pressure standing pressure reservoir in the form of an annular groove arranged coaxially to the guide surface is present.
  • This valve according to the invention has the advantage of reduced leakage between the guide surface in the valve body and the valve needle guide, since the high-pressure pressure reservoir in the form of the annular groove causes an elastic deformation of the guide surface of the valve body in the direction of the valve needle guide. This elastic deformation reduces the sealing gap between the valve needle guide and
  • a preferred embodiment of the invention provides that the annular groove is separated from the guide surface of the valve body by a hollow cylindrical wall section. Given the high pressures occurring in the annular groove, this wall section is subject to elastic deformation in the direction of the valve needle guide and in this way ensures that the fuel leakage is reduced.
  • the annular groove preferably has a depth which corresponds to at least one fifth of the guide length of the valve needle guide, which has the advantage of a sufficiently long wall section which can be elastically deformed in the desired manner.
  • the annular groove can also be designed to be substantially deeper, for example up to half the guide length of the valve needle guide.
  • a preferred embodiment of the invention provides a hydraulic connection between a fuel inlet of a pressure chamber in the valve body and the annular groove, as a result of which the annular groove is at full pressure in the fuel valve at all times.
  • the deformation of the wall section is dependent on the fuel pressure prevailing in the annular groove.
  • the annular groove preferably has a thickness which corresponds to at least one fifth of the diameter of the guide surface.
  • the wall section between the valve body and the annular groove preferably has a thickness which corresponds approximately to the thickness of the annular groove.
  • the leakage gap in the needle guide is separated from the ring groove by the wall section.
  • the annular groove is connected to the high pressure bore by a connecting groove in the nozzle body.
  • FIG. 1 shows a fuel injection valve according to the invention in a schematic sectional view
  • FIG. 2 shows a top view of the fuel injection valve according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a fuel injection valve according to the invention in a schematic sectional view.
  • the injection valve 2 consists of a valve body 4 and a valve needle 6, which is sealed with a valve needle guide 8 in the valve body 4 is led.
  • One or more nozzle openings 16 are provided in a blind hole 12 of the valve body 4.
  • the valve needle 6 has a valve needle tip 7 with a seat edge 14 and a valve needle seat 18. This valve needle seat 18 sits on a valve body seat 20 and thus seals the injection valve 2 with the nozzle openings 16.
  • the fuel passes through a fuel inlet 26 and an annular pressure chamber 22 located between the valve needle 6 and the valve body 4 to the seat edge 14 and, with the valve needle 6 raised, along the annular chamber 28 between the valve needle 6 and the valve body shaft via the blind hole 12 and the nozzle openings 16 in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a sealing gap 11 is located between a cylindrically shaped valve needle guide 8 in the upper region of the valve needle 6, which is enlarged in diameter compared to the needle shaft, and a guide surface 10 in the valve body 4, which has a cylindrical inner jacket surface.
  • the sealing gap 11 extends through this sealing gap 11
  • the high pressure prevailing in the pressure chamber 22 continuously decreases with respect to a leakage area 36 above the valve needle 6.
  • Annular groove 32 is provided, which has a rectangular cross section with a depth T.
  • the depth T of the annular groove 32 is approximately half of a guide length L, which characterizes the length of the axial guide of the valve needle 6 with its valve needle guide 8 within the hollow cylindrical guide surface.
  • the guide length L can typically be approximately 10 mm, so that the depth T is approximately 5 mm.
  • the depth T is at least one fifth of the guide length L of the valve needle guide 8, so that in this case the depth T is approximately 2 mm.
  • the annular groove 32 is connected to the fuel inlet 26 via a connecting groove 34, so that the full fuel pressure prevails in the annular groove 32 at all times.
  • the full fuel pressure no longer prevails in the upper region of the valve needle guide 8 or the sealing gap 11, so that the hollow cylindrical wall section 30 provided between the annular groove 32 and the guide surface 10 is elastically deformed inward direction toward the valve needle guide 8. In this way, the sealing gap 11 is reduced near the leakage area 36, which overall reduces the fuel leakage through the sealing gap 11.
  • FIG. 2 shows a top view of the fuel injection valve corresponding to FIG. 1.
  • the circular shape of the annular groove 32 is again illustrated.
  • the thickness D N of the annular groove 32 can approximately correspond to a thickness D w of the wall section 30.
  • the connecting groove 34 which provides a hydraulic connection between the fuel inlet 26 and the annular groove 32, can also be seen in this illustration.
  • the thickness D w of the wall section 30 and the thickness D N of the annular groove 32 can be approximately 1 mm in each case.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Kraft-stoffeinspritzventil für ein Hochdruckspeichereinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, das einen Ventilkörper (4) mit einem Ventilkörpersitz (20) und eine in dem Ventilkörper innerhalb einer stationären kreiszylinderförmigen Führungsfläche (10) über eine Führungslänge (L) geführte Ventilnadel (6) mit einem Ventilnadelsitz (18) zur Steuerung einer Düsenöffnung (16) aufweist. Es ist vorgesehen, dass im Ventilkörper (4) ein unter Hochdruck stehendes Druckreservoir in Gestalt einer koaxial zur Führungsfläche (10) angeordneten Ringnut (32) vorgesehen ist.

Description

Beschreibung
Ventil, insbesondere Kraftstoffemspπtzventil
Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Kraftstoffemspritzventil für ein Hochdruckspeicheremspritzsystem einer Brennkraftmaschine.
Bei herkömmlichen Kraftstoffm ektoren für Emspritzanlagen von Brennkraftmaschinen erfolgt die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung typischerweise mittels einer Ventilnadel, die in einem Ventilkorper eines Einspritzventils dichtend gefuhrt und verschiebbar angeordnet ist. Die Ventilnadel weist an ihrer Spitze einen Ventilnadelsitz auf, der zusammen mit einem Ventilkorpersitz des Ventilkorpers wenigstens eine Dusenoff- nung zum Brennraum der Brennkraftmaschine öffnet oder schließt. Die wenigstens eine Dusenoffnung ist typischerweise im Bereich des Ventilkorpersitzes angeordnet.
Die Dichtkanten- und passungen im Kraftstoffinjektor unterliegen bei den herrschenden Drucken einer erheblichen mechanischen Belastung, die zudem im Betrieb stark schwankt. Die Dichtigkeit des Einspritzventils ist jedoch gerade bei Com- mon-Rail-Systemen besonders wichtig, da diese im Gegensatz zur periodischen Einspritzung herkömmlicher Systeme permanent unter dem jeweiligen Systemdruck stehen, so dass Undichtigkeiten zu einer Dauereinspritzung fuhren können.
Zwischen Dusenkorper und axial beweglicher Dusennadel kann eine Dichtung zwischen Druckraum und Leckageraum nur mittels eines Dichtspaltes erfolgen, da jede Art von herkömmlichen elastischen Dichtungen den hohen Druckbelastungen auf Dauer nicht standhalten konnten. Der Dichtspalt muss sehr exakt gefertigt sein, um auch bei schwankenden Temperaturen mit den daraus resultierenden Materialdehnungen jederzeit eine reibungsarme Fuhrung der Ventilnadel und dabei gleichzeitig eine möglichst gute Dichtwirkung gewährleisten zu können. Eine zusätzliche Problematik entsteht dadurch, dass beim Com- mon-Rail-Injektor zusätzlich zur Ventilnadel des Einspritzventils ein Ventilsteuerkolben zur Steuerung der Ventilnadel vorhanden ist, der ebenso mittels einer Spaltdichtung gegenüber einem Leckageraum abgedichtet ist. Aus konstant hohem Druck auf mehrere Spaltdichtungen resultiert eine relativ große Leckagemenge, die sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad des Systems auswirkt. Eine Möglichkeit zur Vermeidung dieser Leckage besteht darin, das Fuhrungsspiel auf einen geringen Wert von 1,5 bis 2,5 μm zwischen Ventilnadel und Ventilkorper zu reduzieren. Eine weitere Maßnahme besteht in der Beschichtung der Nadel im Bereich ihrer Fuhrung, beispielsweise m Form von Kohlenstoffbeschichtungen. Auch eine mog- liehst große Fuhrungslange (> 10 mm) der Ventilnadel kann die Leckage reduzieren. Das Fuhrungsspiel ist jedoch durch Fertigungsgrenzen und durch Erfordernisse der Schmierung und die Fuhrungslange durch die maximalen Abmessungen des Injektors begrenzt .
Ein Z el der Erfindung besteht darin, die Leckage eines Kraftstoffemspritzventils eines Hochdruckspeicheremspritz- systems zu minimieren.
Dieses Ziel der Erfindung wird mit einem Kraftstoffemspritz- ventil gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelost. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen.
Bei einem Ventil, insbesondere einem Kraftstoffemspritzven- til für ein Hochdruckspeicheremspritzsystem einer Brennkraftmaschine, ist ein Ventilkorper mit einem Ventilkorpersitz sowie eine in dem Ventilkorper innerhalb einer stationären kreiszylmderformigen Fuhrungsflache über eine Fuhrungs- lange geführte Ventilnadel mit einem Ventilnadelsitz zur
Steuerung einer Dusenoffnung vorgesehen. Erfmdungsgemaß ist weiterhin vorgesehen, dass im Ventilkorper ein unter Hoch- druck stehendes Druckreservoir in Gestalt einer koaxial zur Fuhrungsflache angeordnetem Ringnut vorhanden ist.
Dieses erfmdungsgemaße Ventil weist den Vorteil einer ver- rmgerten Leckage zwischen Fuhrungsflache im Ventilkorper und Ventilnadelfuhrung auf, da das unter Hochdruck stehende Druckreservoir in Gestalt der Ringnut eine elastische Verformung der Fuhrungsflache des Ventilkorpers in Richtung zur Ventilnadelfuhrung hin bewirkt. Diese elastische Verformung verringert den Dichtspalt zwischen Ventilnadelfuhrung und
Fuhrungsflache auf ein Minimum und sorgt auf diese Weise für eine deutlich verringerte Leckage.
Eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung sieht vor, dass die Ringnut durch einen hohlzylinderformigen Wandabschnitt von der Fuhrungsflache des Ventilkorpers getrennt ist. Dieser Wandabschnitt unterliegt bei den auftretenden hohen Drucken in der Ringnut einer elastischen Verformung in Richtung der Ventilnadelfuhrung und sorgt auf diese Weise für eine Verrin- gerung der Kraftstoffleckage .
Vorzugsweise weist die Ringnut eine Tiefe auf, die wenigstens einem Fünftel der Fuhrungslange der Ventilnadelfuhrung entspricht, was den Vorteil eines ausreichend langen Wandab- Schnittes hat, der in gewünschter Weise elastisch verformt werden kann. Die Ringnut kann jedoch auch wesentlich tiefer ausgebildet sein, bspw. bis zur Hälfte der Fuhrungslange der Ventilnadelfuhrung.
Eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung sieht eine hydraulische Verbindung zwischen einem KraftstoffZulauf eines Druckraums im Ventilkorper und der Ringnut vor, wodurch die Ringnut jederzeit unter dem vollen Hochdruck im Kraftstoff- ventil steht. Auf diese Weise ist gleichzeitig die Verformung des Wandabschnittes abhangig vom m der Ringnut herrschenden Kraftstoffdruck. Dies hat den Vorteil, dass die normalerweise bei höherem Druck großer werdende Leckage durch den bei Hoch- druck gleichzeitig kleiner werdenden Dichtspalt reduziert wird.
Die Ringnut weist bevorzugterweise eine Dicke auf, die we- nigstens einem Fünftel des Durchmessers der Fuhrungsflache entspricht. Vorzugsweise weist zudem der Wandabschnitt zwischen Ventilkorper und Ringnut eine Dicke auf, die ungefähr der Dicke der Ringnut entspricht.
Zusammenfassend ergeben sich folgende Aspekte der Erfindung. Der Leckagespalt in der Nadelfuhrung wird von der Ringnut durch den Wandabschnitt getrennt. Die Ringnut ist durch eine Verbindungsnut im Dusenkorper mit der Hochdruckbohrung verbunden. Beim Druckaufbau im Einspritzsystem entsteht auch in der Ringnut der gleiche hydraulische Druck wie im Druckraum des Injektors. An der Wand der Nadelseite (innere Wand) herrscht nur der Druck der Leckage, der um ein Mehrfaches kleiner ist als der Druck in der Hochdruckbohrung und in der Ringnut. Unter der entstehenden Druckdifferenz wird der Wand- abschnitt verformt und der Spalt in der Nadelfuhrung wird auf ein Minimum reduziert. Da die Leckage durch die Nadelfuhrung der Spaltweite proportional ist, wird sie folglich m gewünschter Weise reduziert.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausfuhrungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren naher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein erfmdungsgemaßes Kraftstoffeinspπtzventil in schematischer Schnittansicht und
Figur 2 eine Draufsicht auf das Kraftstoffemspπtzventil gemäß Figur 1.
Figur 1 zeigt ein erfmdungsgemaßes Kraftsto femspritzventil i schematischer Schnittansicht. Das Emspritzventil 2 besteht aus einem Ventilkorper 4 und einer Ventilnadel 6, die mit einer Ventilnadelfuhrung 8 in dem Ventilkorper 4 dicht gefuhrt ist. In einem Sackloch 12 des Ventilkorpers 4 ist eine bzw. sind mehrere Dusenoffnungen 16 vorgesehen. Die Ventilnadel 6 weist eine Ventilnadelspitze 7 mit einer Sitzkante 14 und einem Ventilnadelsitz 18 auf. Dieser Ventilnadelsitz 18 sitzt auf einem Ventilkorpersitz 20 auf und dichtet somit das Emspritzventil 2 mit den Dusenoffnungen 16 ab.
Der Kraftstoff gelangt über einen Kraftstoffzulauf 26 und einen zwischen der Ventilnadel 6 und dem Ventilkorper 4 liegen- den ringförmigen Druckraum 22 zur Sitzkante 14 und bei angehobener Ventilnadel 6 entlang des Ringraums 28 zwischen Ventilnadel 6 und Ventilkorperschaft weiter über das Sackloch 12 und die Dusenoffnungen 16 in den Brennraum der Brennkraftraa- schine .
Zwischen einer zylindrisch geformten Ventilnadelfuhrung 8 im oberen Bereich der Ventilnadel 6, die gegenüber dem Nadelschaft im Durchmesser vergrößert ist, und einer Fuhrungsflache 10 im Ventilkorper 4, die eine zylindrische Innenmantel- flache aufweist, befindet sich ein Dichtspalt 11. Durch diesen Dichtspalt 11 nimmt der im Druckraum 22 herrschende Hochdruck gegenüber einem Leckagebereich 36 oberhalb der Ventilnadel 6 kontinuierlich ab.
Koaxial zur Fuhrungsflache 10 im Ventilkorper 4 ist eine
Ringnut 32 vorgesehen, die einen rechteckformigen Querschnitt mit einer Tiefe T aufweist. Die Tiefe T der Ringnut 32 betragt im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ungefähr die Hälfte einer Fuhrungslange L, welche die Lange der axialen Fuhrung der Ventilnadel 6 mit ihrer Ventilnadelfuhrung 8 innerhalb der hohlzylindπsch geformten Fuhrungsflache charakterisiert. Die Fuhrungslange L kann typischerweise bei ca. 10 mm liegen, so dass die Tiefe T bei einem Wert von ungefähr 5 mm liegt.
Mindestens jedoch betragt die Tiefe T ein Fünftel der Fuhrungslange L der Ventilnadelfuhrung 8, so dass in diesem Fall die Tiefe T bei einem Wert von ca. 2 mm liegt. Die Ringnut 32 steht über eine Verbindungsnut 34 mit dem KraftstoffZulauf 26 in Verbindung, so dass in der Ringnut 32 jederzeit der volle Kraftstoffdruck herrscht. Im oberen Be- reich der Ventilnadelfuhrung 8 bzw. des Dichtspaltes 11 herrscht dagegen nicht mehr der volle Kraftstoffdruck, so dass der zwischen Ringnut 32 und Fuhrungsflache 10 vorgesehene hohlzylmdrische Wandabschnitt 30 elastisch nach innen Richtung zur Ventilnadelfuhrung 8 verformt wird. Auf diese Weise wird nahe des Leckagebereichs 36 der Dichtspalt 11 verkleinert, was insgesamt die Kraftstoffleckage durch den Dichtspalt 11 reduziert.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf das Kraftstoffeinspritzven- til entsprechend Figur 1. Dabei ist nochmals die kreisrmg- formige Kontur der Ringnut 32 verdeutlicht. Die Dicke DN der Ringnut 32 kann ungefähr einer Dicke Dw des Wandabschnittes 30 entsprechen. Erkennbar ist in dieser Darstellung auch die Verbindungsnut 34, welche eine hydraulische Verbindung zwi- sehen dem Kraftstoffzulauf 26 und der Ringnut 32 bereitstellt .
Bei einem typischen Durchmesser der Ventilnadelfuhrung 8 von 3,0 bis 4,0 mm kann die Dicke Dw des Wandabschnitts 30 sowie die Dicke DN der Ringnut 32 ungefähr bei einem Wert von jeweils ca. 1 mm liegen.

Claims

Patentansprüche
1. Ventil, insbesondere Kraftstoffemspritzventil für ein Hochdruckspeicheremspritzsystem einer Brennkraftmaschi- ne, das einen Ventilkorper (4) mit einem Ventilkorpersitz (20) und eine in dem Ventilkorper (4) innerhalb ei¬ ner stationären kreiszylmderformigen Fuhrungsflache (10) über eine Fuhrungslange (L) geführte Ventilnadel (6) mit einem Ventilnadelsitz (18) zur Steuerung einer Dusenoffnung (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilkorper (4) ein unter Hochdruck stehendes Druckreservoir in Gestalt einer koaxial zur Fuhrungsflache (10) angeordneten Ringnut (32) vorgesehen ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Ringnut (32) durch einen hohlzylmderf ormigen Wandabschnitt (30) von der Fuhrungsflache (10) des Ventil- korpers (4) getrennt ist.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Ringnut (32) eine Tiefe (T) aufweist, die wenigstens einem Fünftel der Fuhrungslange (L) entspricht.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine hydraulische Verbindung zwischen einem Kraftstoff- Zulauf (26) eines Druckraums (22) im Ventilkorper (4) und der Ringnut (32) vorgesehen ist.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (32) eine Dicke (DN) aufweist, die wenigstens einem Fünftel (Vs) des Durchmessers der Fuhrungsflache (10) entspricht. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandabschnitt (30) zwischen Ventilkörper (4) und Ringnut (32) eine Dicke (Dw) aufweist, die ungefähr der Dicke (DN) der Ringnut (32) entspricht.
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