WO2004027254A1

WO2004027254A1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen

Info

Publication number: WO2004027254A1
Application number: PCT/DE2003/001296
Authority: WO
Inventors: Markus Ohnmacht; Patrick Mattes; Uwe Finke; Werner Teschner; Wilhelm Christ; Ingolf Kahleyss; Guenger Yurtseven
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2005-03-13
Also published as: DE10242685A1; EP1546546A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil mit einem Ventilkörper (1), in dem eine Bohrung (3) mit einem konischen Ventilsitz (9) und wenigstens eine Einspritzöffnung (11) ausgebildet ist. Eine kolbenförmige Ventilnadel (5) ist längsverschiebbar in der Bohrung (3) angeordnet und wirkt mit dem Ventilsitz (9) zur Steuerung der wenigstens einen Einspritzöffnung (11) zusammen. Am brennraumseitigen Ende der Ventilnadel (5) ist eine erste Konusfläche (30) und eine stromabwärts zu dieser angeordnete zweite Konusfläche (32) ausgebildet, wobei die erste Konusfläche (30) einen Öffnungswinkel (a1) aufweist, der kleiner ist als der Öffnungswinkel (b) des Ventilsitzes (9), während der Öffnungswinkel (a2) der zweiten Konusfläche (32) größer ist als der Öffnungswinkel (b) des Ventilsitzes (9). Zwischen den beiden Konusflächen (30; 32) verläuft eine Ringnut (34), deren stromaufwärts gelegene Kante als Sitzkante (37) der Ventilnadel (5) dient. Von der Ringnut (37) geht wenigstens ein in der Ventilnadel (5) verlaufender Kanal (20; 22; 23) ab, der in den Teil der Außenfläche der Ventilnadel (5) mündet, welcher an die Ringnut (37) angrenzt und den Einspritzöffnungen (11) zugewandt ist.

Description

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil aus, wie es der Gattung des Patentanspruchs 1 entspricht. Aus der WO 96/19661 ist ein solches Kraftstof einspritzventil bekannt, das einen Ventilkörper mit einer darin ausgebildeten Bohrung aufweist. Am brennraumseitigen Ende der Bohrung ist ein konischer Ventilsitz ausgebildet, und es befindet sich dort wenigstens eine Einspritzöffnung, durch die der Ventilsitz mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbunden ist. In der Bohrung ist eine kolbenförmige Ventilnadel längsver- schiebbar angeordnet, die mit dem Ventilsitz so zur Steuerung der wenigstens einen Einspritzöffnung zusammenwirkt, dass bei Anlage der Ventilnadel auf dem Ventilsitz die Einspritzöffnungen verschlossen werden, während bei vom Ventilsitz abgehobener Ventilnadel Kraftstoff aus einem Druckraum den Einspritzöffnungen zufließen kann. Das brennrau seitige Ende der Ventilnadel weist zwei Konusflächen auf, wobei die erste Konusfläche einen Öffnungswinkel aufweist, der kleiner ist als der Öffnungswinkel des Ventilsitzes. Stromabwärts der ersten Konusfläche ist an der Ventilnadel eine zweite Konusfläche ausgebildet, die einen Öffnungswinkel aufweist, der größer als der Öffnungswinkel des Ventilsitzes ist. Darüber hinaus ist zwischen den beiden Konusflächen eine Ringnut ausgebildet, deren bezüglich des Kraftstoffstroms zu den Einspritzöffnungen stromaufwärts gelegene Kante, die an die erste Konusfläche grenzt, bei Anlage der Ventilnadel am Ventilsitz als Dichtkante dient. Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist hierbei jedoch den Nachteil auf, dass sich der Öffnungsdruck, also der Kraftstoffdruck, bei dem die Ventilnadel eine genügend gro- ße, hydraulische Kraft erfährt, um gegen eine Schließkraft vom Ventilsitz abzuheben, mit der Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils ändert. Bei einem neuen Kraftstoffein- spritzventil strömt zu Beginn der Öffnungshubbewegung, wenn die Ventilnadel erst einen kleinen Hub durchfahren hat, Kraftstoff an der Dichtkante vorbei in die Ringnut. Da ein Weiterfließen an der stromabwärts gelegenen Kante der Ringnut vorbei zu den Einspritzöffnungen ohne weiteres möglich ist, kommt es in der Ringnut zu keinem nennenswerten Druckanstieg und damit zu keiner zusätzlichen hydraulischen Kraft auf die Ventilnadel. Im Laufe der Lebensdauer des

Kraftstoffeinspritzventils wird die Dichtkante etwas in den Ventilsitz eingehämmert, so dass sich auch die stromabwärti- ge Kante der Ringnut näher am Ventilsitz befindet und schließlich sogar in Schließstellung der Ventilnadel am Ven- tilsitz aufliegt. Beim Öffnen der Ventilnadel strömt nun, sobald die Dichtkante vom Ventilsitz abgehoben hat, Kraftstoff in die Ringnut, kann von dort aber nur gedrosselt an der stromabwärtigen Kante der Ringnut vorbei zu den Ein- spritzöffnungen weiterfließen. Es kommt deshalb zu einem Druckanstieg in der Ringnut und damit zu einer zusätzlichen Öffnungskraft auf die Ventilnadel. Erst bei vollem Hub der Ventilnadel kann der Kraftstoff nahezu ungedrosselt den Einspritzöffnungen zufließen. Durch diese zusätzliche Öffnungskraft wird der Öffnungsdruck abgesenkt und die Öffnungsdyna- mik der Ventilnadel ändert sich. Hierdurch wird es erschwert, weiterhin eine präzise Einspritzung von Menge und Zeitpunkt vorzunehmen, was bei modernen, schnelllaufenden Brennkraftmaschinen unerlässlich ist.

Aus der DE 36 05 082 AI ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem die Ventilnadel eine konische Ventildicht- fläche an ihrem brennraumseitigen Ende aufweist. In der konischen Ventildichtfläche ist eine Ringnut ausgebildet, von der eine Querbohrung und die Querbohrung schneidend eine Längsbohrung abgeht, so dass die Ringnut mit der brennraum- seitigen Endfläche der Ventilnadel verbunden wird. Bei diesem Kraftstoffeinspritzventil ist jedoch nur eine einzige Dichtfläche der Ventilnadel vorgesehen, die mit ihrer gesamten Fläche auf dem Ventilsitz aufsitzt, so dass sich dort ein entsprechendes Problem mit variierendem Öffnungsdruck nicht auftreten kann.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kenn- zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Öffnungsdynamik des Kraftstoffeinspritzventils während der gesamten Lebensdauer konstant bleibt. Durch einen in der Ventilnadel verlaufenden Kanal ist die Ringnut mit der Außenfläche der Ventilnadel stromabwärts der Ringnut verbunden, so dass ein sich in der Ringnut aufbauender Druck über diesen Kanal abgeführt wird. Hierdurch bleibt die Öffnungsdynamik des Einspritzventils stets dieselbe.

Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung möglich.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung verläuft der Kanal in einem schiefen Winkel zur Längsachse der Ventilnadel und die zweite Konusfläche mündet. Solch ein Kanal ist einfach herzustellen und es lassen sich problemlos mehrere solcher Kanäle über den Umfang der Ventilnadel verteilt anbringen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kanal durch eine Querbohrung und eine diese schneidende Längsboh- rung gebildet, wobei die Längsbohrung in die Stirnfläche der Ventilnadel mündet. Eine solche Verbindung ergibt einen weitgehend ungedrosselten Fluss von Kraftstoff aus der Ringnut in das Reservoirvolumen, so dass auch ein leichter Druckaufbau in der Ringnut wirksam unterdrückt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Es zeigt

Figur 1 ein Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt,

Figur 2 eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts von Figur 1 im Bereich des Ventilsitzes, wobei die linke und die rechte Seite zwei unterschiedliche Ausgestaltungen des Ventilsitzes darstellen,

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des brennraumseitigen Endes der Ventilnadel und des Ventilsitzes,

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilnadel und

Figur 5a und Figur 5b weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Ventilnadeln.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt. In einem Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 3 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem konischen Ventilsitz 9 begrenzt wird. Vom Ventilsitz 9 geht wenigstens eine Einspritzöffnung 11 ab und mundet in Einbaulage des Kraftstoffemspritzventils in den Brennraum der Brennkraftmaschine. In der Bohrung 10 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar angeordnet, die mit einem Fuhrungsabschnitt 15 in einem brennraumabge- wandten Abschnitt der Bohrung 3 gefuhrt ist und eine Langsachse 7 aufweist. Die Ventilnadel 5 verjungt sich, ausgehend vom Fuhrungsabschnitt 15, dem Brennraum zu unter Bildung einer Druckschulter 13 und geht an ihrem brennraumseitigen Ende in eine Ventildichtfläche 12 über, die mit dem Ventilsitz 19 zur Steuerung der wenigstens einen Einspritzoffnung 11 zusammenwirkt. Zwischen der Bohrung 3 und der Ventilnadel 5 ist ein Druckraum 19 ausgebildet, der auf Hohe der Druckschulter 13 radial erweitert ist. In die radiale Erweiterung des Druckraums 19 mundet ein im Ventilkorper 1 verlaufender Zulaufkanal 25, über den der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befullbar ist. Bei Kraftstoffeinspritzsyste- men, die nach dem sogenannten Common-Rail-Prinzip arbeiten, liegt im Druckraum 19 standig ein hoher Kraftstoffdruck an. Durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 19 ergibt sich eine hydraulische Kraft auf die Ventilnadel 5 durch Beaufschlagung der Druckschulter 13 und Teile der Ventildichtfläche 12. Dieser hydraulischen Offnungskraft ist eine Schließkraft entgegen gerichtet, die durch eine, in der Zeichnung nicht dargestellte, Vorrichtung auf das brennraumseitige Ende der Ventilnadel 5 ausgeübt wird. Die Bewegung der Ventilnadel 5 m der Bohrung 3 erfolgt dadurch, dass die Schließkraft reduziert wird. Sobald die hydraulische Offnungskraft auf die Ventilnadel 5 überwiegt, bewegt sich die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 weg, und Kraftstoff fließt aus dem Druckraum 19 den Einspritzoffnungen 11 zu und wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Zum Schließen des Kraftstoffeinspritzventils wird die Schließkraft auf die Ventilnadel 5 erhöht, bis diese großer ist als die hydraulische Offnungskraft. Die Ventilnadel 5 gleitet zurück in ihre Schließstellung und unterbricht die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzoffnungen 11. Figur 2 zeigt eine Vergrößerung von Figur 1 in dem mit II bezeichneten Ausschnitt, wobei die linke und die rechte Seite von Figur 2 zwei verschiedene Ausführungsbeispiele des brennraumseitigen Endes des Ventilkörpers 1 zeigen. Die Ventilnadel 5 weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine erste Konusfläche 30 und eine zweite Konusfläche 32 auf, die zusammen die Ventildichtfläche 12 bilden. Zwischen der ersten Konusfläche 30 und der zweiten Konusfläche 32 ist eine Ringnut 34 ausgebildet, die an beide Konusflächen 30, 32 grenzte Das brennraumseitige Ende der Ventilnadel 5 bildet eine Stirnfläche 40, die eben ausgebildet ist und eine kreisrunde Form hat. Die Öffnungswinkel der Konusflächen 30, 32 sind dabei so ausgeführt, dass der Öffnungswinkel a_]_ der ersten Konusfläche 30 kleiner ist als der Öffnungswinkel b des konischen Ventilsitzes 9. Der Öffnungswinkel a2 der zweiten Konusfläche 32 ist hingegen größer als der Öffnungswinkel b des konischen Ventilsitzes 9, so dass bei Anlage der Ventilnadel 5 am Ventilsitz 9 die Sitzkante 37, die die Grenze zwischen der Ringnut 34 und der ersten Konusfläche 30 bildet, zuerst am Ventilsitz 9 zur Anlage kommt. Die Winkel sind außerdem so bemessen, dass der Differenzwinkel zwischen a.ι und b kleiner ist als zwischen &2 und b, also eine sogenannte inverse Sitzwinkeldifferenz vorliegt. Die Drosselkan- te 38, die die Grenze zwischen der Ringnut 34 und der zweiten Konusfläche 32 bildet, ist in Schließstellung der Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 beabstandet, so dass die Ringnut 34 nur durch die Sitzkante 37 verschlossen ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel, das in der linken Hälfte der

Figur 2 dargestellt ist, fließt zu Beginn der Öffnungshubbewegung der Ventilnadel 5, wenn diese noch nicht ihren vollen Hub durchfahren hat, Kraftstoff aus dem Druckraum 19, an der ersten Konusfläche 30 vorbei, in die Ringnut 34 und von dort an der Drosselkante 38 vorbei zu den Einspritzöffnungen 11. Dies entspricht dem Neuzustand des Kraftstoffeinspritzven- tils oder auch nach längerem Betrieb den Verhaltnissen, wenn sowohl die Ventilnadel 5 als auch der Ventilsitz 9 bzw. der Ventilkorper 1 keinen Verschleiß zeigen wurden. Im Laufe der Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils hämmert sich durch Verschleiß die Sitzkante 37 etwas in den Ventilsitz 9 ein. Hierdurch verringert sich der Abstand der Drosselkante 38 vom Ventilsitz 9 in Schließstellung der Ventilnadel 5, bis schließlich auch die Drosselkante 38 auf dem Ventilsitz 9 aufsitzt. Beim Offnen des Kraftstoffeinspritzventils, also wenn die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 abhebt, kommt es anfanglich, bei noch sehr geringem Hub der Ventilnadel 5, zum Einstromen von Kraftstoff an der Sitzkante 37 vorbei in die Ringnut 34. Von dort kann der Kraftstoff aber nur gedrosselt an der Drosselkante 38 vorbei zu den Einspritzoffnungen 11 fließen, so dass sich in der Ringnut 34 ein hoher Druck aufbaut, der eine zusatzliche hydraulische Offnungskraft auf die Ventilnadel 5 ausübt.

Bei dem Ausfuhrungsbeispiel, das auf der rechten Seite der Figur 2 dargestellt ist, sind diese Verhaltnisse in der Ringnut 34 gleich. Die Einspritzoffnungen 11 gehen hier nicht vom konischen Ventilsitz 9 ab, sondern an den Ventilsitz 9 schließt sich eine Blindbohrung 109 an, von der die Einspritzoffnungen 11 abgehen. Die drosselnde Wirkung der Drosselkante 38 und der zusatzliche, unerwünschte Druckaufbau in der Ringnut 34 sind aber hier identisch.

In Figur 3 ist das gleiche Kraftstoffeinspritzventil wie in der linken Hälfte der Figur 2 nochmals gezeigt, jedoch ist hier die Ventilnadel 5 teilweise geschnitten dargestellt.

Auf Hohe der Ringnut 34 ist in der Ventilnadel 5 eine Querbohrung 22 ausgebildet, die senkrecht zur Langsachse 7 der Ventilnadel 5 verlauft. Zusatzlich ist in der Ventilnadel 5 eine Langsbohrung 23 ausgebildet, die von der flachen Stirn- flache 40 der Ventilnadel 5 entlang der Langsachse 7 bis zur Querbohrung 22 reicht und zusammen mit dieser den Kanal 20 bildet. Hierdurch wird eine hydraulische Verbindung der Ringnut 34 mit der Außenfläche der Ventilnadel 5, hier der Stirnfläche 40, hergestellt und damit mit einem Reservoirvolumen 41, das von der Ventilnadel 5 und dem brennraumseiti- gen Ende des Ventilsites 9 begrenzt wird. Bei vom Ventilsitz 9 abgehobener Ventilnadel 5, wie es in Figur 3 dargestellt ist, kann der Kraftstoff jetzt nicht nur an der Drosselkante 38 vorbei zu den Einspritzöffnungen 11 strömen, sondern auch durch den durch die Querbohrung 22 und die Längsbohrung 23 gebildeten Kanal 20. Der Kraftstoff strömt also gleichzeitig aus der Öffnung der Längsbohrung 23 heraus und von dort entgegen der Strömungsrichtung des Kraftstoffs, der an der Drosselkante 38 vorbei fließt, zu den Einspritzöffnungen 11. Dadurch wird ein Druckaufbau in der Ringnut 34 verhindert, so dass sich dort kein zusätzlicher Öffnungsdruck aufbauen kann.

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel 5, bei der die Verbindung der Ringnut 34 mit der Stirnfläche 40 hier über einen alternativ gestalteten Kanal 20 realisiert ist. Der Kanal 20 führt, ausgehend von der Ringnut 34, ein Stück in radialer Richtung einwärts, knickt dann ab und führt parallel zur zweiten Konusfläche 32 bis zur Stirnfläche 40.

In Figur 5a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Ventilnadel 5 in teilgeschnittener Ansicht dargestellt, bei der der Kanal 20, ausgehend von der Ringnut 34, in den Teil der Außenfläche der Ventilnadel 5 mündet, der an die Ringnut 34 grenzt und den Einspritzöffnungen 11 zugewandt ist. Im Gegensatz zu denen in Figur 3 und 4 gezeigten Ausführungsbei- spielen mündet der Kanal 20 hier jedoch nicht in die Stirnfläche 40, sondern in die zweite Konusfläche 32. Der Kanal 20 ist hierbei gerade ausgebildet und schneidet die Längs- achse 7 der Ventilnadel 5 nicht. Figur 5b zeigt eine Draufsicht auf die Ventilnadel 5, bei der der Verlauf der Kanäle 20 deutlich wird. Die Kanäle 20 fuhren an der Langsachse 7 vorbei und sind folglich windschief zu dieser ausgebildet. Hierdurch können die Kanäle 20 unabhängig voneinander ausgebildet und beispielsweise mittels eines Laserverfahrens in die Ventilnadel 5 eingebracht werden.

Es kann alternativ zur der Darstellung in Figur 5b auch vorgesehen sein, dass mehr als zwei Kanäle 20 in der Ventilnadel 5 ausgebildet sind, ohne sich zu schneiden. Auch hier werden die Kanäle 20 tangential der Langsachse 7 vorbeige- fuhrt .

Der Durchmesser des Kanals 20 und damit auch der Querbohrung 22 und der Langsbohrung 23 betragt vorzugsweise etwa 0,2- 0,5 mm, was eine ausreichende hydraulische Verbindung sicher stellt.

Claims

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkorper (1) , in dem eine Bohrung (3) ausgebildet ist, an deren brennraumseitigen Ende ein konischer Ventilsitz (9) ausgebildet ist und wenigstens eine Einspritzoffnung (11) in den Brennraum der Brennkraftmaschine abfuhrt, und mit einer kolbenförmigen Ventilnadel (5) , die langsverschiebbar in der Bohrung (3) angeordnet ist und mit dem Ventilsitz (9) zur Steuerung des Kraftstoffflusses zu der wenigstens einen Einspritzoffnung (11) zusammenwirkt, wobei am brennraumseitigen Ende der Ventilnadel (5) eine erste Konusflache (30) und eine stromabwärts zu dieser angeordnete zweite Konusflache (32) aus- gebildet sind, wobei die erste Konusflache (30) einen

Offnungswinkel (a_]_) aufweist, der kleiner ist als der Offnungswinkel (b) des Ventilsitzes (9) , wahrend der Offnungswinkel (a2) der zweiten Konusflache (32) großer ist als der Offnungswinkel (b) des Ventilsitzes (9) , und mit einer zwischen den beiden Konusflachen (30; 32) verlaufenden Ringnut (34) , die an beide Konusflachen (30; 32) grenzt und deren stromaufwärts gelegene Kante als Sitzkante (37) der Ventilnadel (5) dient, dadurch gekennzeichnet, dass von der Ringnut (37) wenigstens ein in der Ventilnadel (5) verlaufender Kanal (20; 22; 23) abgeht, der m den Teil der Außenflache der Ventilnadel (5) mundet, welcher an die Ringnut (37) angrenzt und den Einspritzoffnungen (11) zugewandt ist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Kanal (20) eine Bohrung (22; 23) ist, die in einem schiefen Winkel zur Längsachse (7) der Ventilnadel (5) verläuft und in die zweite Konusfläche (32) mündet.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 , dadurch ge- kennzeichnet, dass der Kanal (20) durch eine Querbohrung

(22) und eine diese schneidende Längsbohrung (23) gebildet wird, wobei die Längsbohrung (23) in die das brenn- raumseitige Ende der Ventilnadel (5) bildende Stirnfläche (40) mündet.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (20) durch zwei gerade Abschnitte gebildet wird, wobei ein erster Abschnitt im rechten Winkel zur Längsachse (7) der Ventilnadel (5) verläuft und in einen zweiten Abschnitt übergeht, der im wesentlichen parallel zur zweiten Konusfläche (32) der

Ventilnadel (5) verläuft.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (20) in eine das brennraum- seitige Ende der Ventilnadel (5) bildende Stirnfläche (40) mündet.