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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
nach der Gattung des Patentanspruchs 18 und 2 aus. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil
ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 195 23 243 A1 bekannt
und umfaßt
einen Ventilkörper,
in dem eine Bohrung ausgebildet ist. Am brennraumseitigen Ende der
Bohrung sind Einspritzöffnungen
ausgebildet, die die Bohrung mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine
verbinden. In der Bohrung ist ein kolbenförmiges Ventilglied längsverschiebbar
angeordnet, das am brennraumabgewandten Ende in einem Führungsabschnitt
der Bohrung dichtend geführt
ist. Am brennraumseitigen Ende des Ventilglieds ist eine Ventildichtfläche ausgebildet,
die mit einem am brennraumseitigen Ende der Bohrung ausgebildeten
Ventilsitz zusammenwirkt und so durch die Längsbewegung die Einspritzöffnungen
auf- und zusteuert. Durch eine radiale Erweiterung ist in der Bohrung
ein Druckraum ausgebildet, der das Ventilglied umgibt und der sich
brennraumabgewandt an den Führungsabschnitt
der Bohrung anschließt.
Der Druckraum ist über
einen Zulaufkanal, der im Ventilkörper verläuft, mit Kraftstoff unter hohem
Druck befüllbar
und setzt sich das Ventilglied umgebend bis zum Ventilsitz fort.
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Bei
den bekannten Einspritzventilen ist der Ventilsitz und die dazugehörige Ventildichtfläche im wesentlichen
konisch ausgebildet, wobei die Spitze des Konuskegels dem Brennraum
zugewandt ist. Die Einspritzöffnungen
sind beispielsweise im Ventilsitz ausgebildet, wobei wenigstens
zwei Einspritzöffnungen
vorzugsweise gleichmäßig über den
Umfang verteilt angeordnet sind. Der Kraftstoff fließt bei geöffnetem
Kraftstoffeinspritzventil, das ist, wenn die Ventildichtfläche vom
Ventilsitz abgehoben ist, aus dem Druckraum am Ventilglied vorbei
zwischen Ventilsitz und Ventildichtfläche zu den Einspritzöffnungen.
Für eine
gleichmäßige Einspritzung
des Kraftstoffs durch alle Einspritzöffnungen in den Brennraum der
Brennkraftmaschine muß das
Ventilglied exakt zentrisch in der Bohrung gehalten werden. Schon
eine leichte Desachsierung des Ventilglieds führt zu einer unsymmetrischen
Strömung
des Kraftstoffs im Bereich des Ventilsitzes und damit zu einer unterschiedlichen
Einspritzung durch die verschiedenen Einspritzöffnungen. Um das Ventilglied über die
gesamte Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils exakt zentrisch
in der Bohrung zu halten, bedarf es eines hohen technischen Aufwandes,
der mit hohen Fertigungskosten verbunden ist.
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Aus
der
EP 0 467 680 A1 ist
ein Einspritzventil bekannt, bei dem die Kraftstoffzufuhr über eine Ausnehmung
geschieht, die an der Innenseite der die Ventilnadel führenden
Bohrung ausgebildet ist, so dass die Ventilnadel eine seitliche
Kraft erfährt.
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Aus
der
DE 42 03 343 C1 ist
darüber
hinaus ein Einspritzventil bekannt, bei dem eine Ausnehmung in der
Ventilnadel ausgebildet ist, was ebenfalls zu einer seitlichen Kraft
auf die Ventilnadel führen kann.
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Aus
der
EP 0 867 611 A1 ist
weiterhin ein Einspritzventil bekannt, bei dem die Ventilnadel außermittig
von einer Schließfeder
beaufschlagt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
hat demgegenüber
den Vorteil, daß das
Ventilglied auf einem Teil seines Umfangs hydraulisch mit dem Druckraum
verbunden ist, so daß sich
eine in radialer Richtung wirkende resultierende Kraft auf das Ventilglied
ergibt, die das Ventilglied definiert in einer desachsierte Lage
bringt. Dadurch ergibt sich eine reproduzierbar asymmetrische Einspritzung
durch die über
den Umfang des Ventilkörpers
verteilten Einspritzöffnungen
in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
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Die
resultierende Kraft auf das Ventilglied wird durch eine Ausnehmung
im Führungsabschnitt der
Bohrung erzeugt, die einfach und gut reproduzierbar herstellbar
ist. Die Ausnehmung ist mit dem Druckraum verbunden und reicht in
den Führungsabschnitt
der Bohrung, so daß die
in radialer Richtung wirkenden hydraulischen Kräfte auf das Ventilglied eine
resultierende Kraft ergeben, die das Ventilglied etwas aus der zentrischen
Position in der Bohrung drücken.
Dadurch wird auch die Ventildichtfläche des Ventilglieds aus ihrer
koaxialen Position bezüglich des
Ventilsitzes gebracht, und die Einspritzung des Kraftstoffs erfolgt
nicht mehr gleichmäßig durch
alle Einspritzöffnungen.
Da dieses asymmetrische Spritzbild während des gesamten Betriebes
des Kraftstoffeinspritzventils unverändert bleibt, kann der Brennraum
und die sonstigen Komponenten der Brennkraftmaschine genau darauf
ausgerichtet werden. Durch diese Anpassung lassen sich dieselben
Verbrauchswerte und Schadstoffemissionen erreichen wie bei einer
genau symmetrischen Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum
einer bekannten Brennkraftmaschine.
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Die
Ausnehmung ist sichelförmig
an der Wand der Bohrung ausgebildet, so daß sich zusammen mit dem Druckraum
eine Konfiguration ergibt, die einem schräg verlaufenden Druckraum entspricht.
Die brennraumseitige Begrenzungskante des Führungsabschnitts der Bohrung
verläuft
dann in einer Ebene, deren Normale zur Längsachse des Ventilglieds geneigt
ist. Durch diese Ausbildung der Ausnehmung ergeben sich keine scharfen
Kanten am Übergang
der Bohrungswand zur Ausnehmung, wodurch Spannungsspitzen in diesen
Bereichen verringert werden.
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In
einer Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist die Ausnehmung
am Ventilglied ausgebildet, wobei die Ausnehmung bis in den Führungsabschnitt
der Bohrung ragt. Die hydraulischen Kräfte auf das Ventilglied sind
vergleichbar mit denen durch eine erfindungsgemäße Ausnehmung an der Wand der
Bohrung, jedoch läßt sich
das Ventilglied, da es separat vom Ventilkörper gefertigt wird, leichter bearbeiten
als die Wand der Bohrung. Die Ausnehmung ist sichelförmig am
Ventilglied ausgebildet, so daß die
brennraumseitige Begrenzungskante des geführten Abschnitts des Ventilglieds
in einer Ebene verläuft,
deren Normale zur Längsachse
des Ventilkörpers
geneigt ist. Dies läßt sich
in einfacher Weise am Ventilglied realisieren, da es von außen bearbeitet
werden kann, und diese Ausgestaltung der Ausnehmung vermeidet scharfe
Kanten am Übergang der
Mantelfläche
des Ventilglieds zur Ausnehmung, was sich andernfalls nachteilig
auf den Verschleiß des
Ventilglieds in der Bohrung auswirken könnte.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
in verschiedenen Ansichten gezeigt.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
mit erfindungsgemäßem Ventilglied
im Längsschnitt
und
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
im Bereich des Druckraums.
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In
der 3 ist das Ventilglied der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In
der 1 ist ein Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
gezeigt. Ein Ventilhaltekörper 1 ist
unter Zwischenlage einer Zwischenscheibe 3 gegen einen
Ventilkörper 5 mittels
einer Spannmutter 6 in axialer Richtung verspannt. Das
Kraftstoffeinspritzventil ist dabei so in einer Brennkraftmaschine
angeordnet, daß das
freie Ende des Ventilkörpers 5 bis
in den Brennraum der Brennkraftmaschine ragt. Im Ventilkörper 5 ist
eine Bohrung 7 ausgebildet, die parallel zu dessen Längsachse 14 verläuft und
deren brennraumseitiges Ende als Ventilsitz 26 ausgebildet
ist. Im Ventilsitz 26 sind wenigstens zwei, vorzugsweise
mehr als zwei Einspritzöffnungen 28 ausgebildet,
die vorzugsweise gleichmäßig über den
Umfang des Ventilkörpers 5 verteilt
sind und die die Bohrung 7 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine
verbinden. In der Bohrung 7 ist ein kolbenförmiges Ventilglied 10 angeordnet,
das in einem brennraumabgewandten Führungsabschnitt 107 der
Bohrung 7 dichtend geführt
ist. Das Ventilglied 10 verjüngt sich dem Brennraum zu unter Bildung
einer Druckschulter 12 und geht an seinem brennraumseitigen
Ende in eine Ventildichtfläche 30 über. Sowohl
der Ventilsitz 26 als auch die Ventildichtfläche 30 sind
im wesentlichen konisch ausgebildet, so daß sie zusammenwirken und die
Einspritzöffnungen 28 durch
eine Längsbewegung
des Ventilglieds 10 in der Bohrung 7 auf- und
zugesteuert werden.
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Durch
eine radiale Erweiterung ist in der Bohrung 7 ein Druckraum 15 ausgebildet,
der das Ventilglied 10 umgibt und sich brennraumzugewandt an
den Führungsabschnitt 107 der
Bohrung 7 anschließt.
Der Druckraum 15 setzt sich dem Ventilsitz 26 zu
als ein das Ventilglied 10 umgebender Ringkanal fort und
ist über
einen im Ventilkörper 5,
der Zwischenscheibe 3 und dem Ventilhaltekörper 1 verlaufenden
Zulaufkanal 17 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar. Die
Druckschulter 12 des Ventilglieds 10 ist innerhalb
des Druckraums 15 angeordnet, so daß sich durch den hydraulischen
Druck des Kraftstoffs im Druckraum 15 eine in axialer Richtung des
Ventilglieds 10 wirkende resultierende Kraft auf das Ventilglied 10 ergibt.
Brennraumabgewandt geht das Ventilglied 10 in einen in
der Zwischenscheibe 3 angeordneten Federteller 24 über, der
bis in einen im Ventilhaltekörper 1 ausgebildeten
Federraum 20 ragt. Im Federraum 20 ist eine Schließfeder 22 unter Vorspannung
zwischen der brennraumabgewandten Stirnseite des Federraums 20 und
dem Federteller 24 angeordnet. Durch die Schließfeder 22 ergibt
sich eine in axialer Richtung auf den Ventilsitz 26 zu
wirkende Kraft auf das Ventilglied 10, die die Ventildichtfläche 30 gegen
den Ventilsitz 26 preßt.
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Das Öffnen und
Schließen
des Kraftstoffeinspritzventils wird durch den Kraftstoffdruck im
Druckraum 15 geregelt. Über
eine in der Zeichnung nicht dargestellte Kraftstoffhochdruckquelle
wird Kraftstoff unter hohem Druck in den Zulaufkanal 17 und
in den Druckraum 15 eingeführt, wo sich durch die hydraulische
Kraft auf die Druckschulter 12 eine vom Ventilsitz 26 weg
gerichtete axiale Kraft auf das Ventilglied 10 ergibt. Übersteigt
diese axiale Kraft die Kraft der Schießfeder 22, so hebt
das Ventilglied 10 mit der Ventildichtfläche 30 vom
Ventilsitz 26 ab und Kraftstoff kann aus dem Druckraum 15 am
Ventilglied 10 vorbei zu den Einspritzöffnungen 28 fließen und
von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Wird die Kraftstoffzufuhr
durch den Zulaufka nal 17 unterbrochen, so sinkt der Druck
im Druckraum 15 ab, bis die Kraft der Schließfeder 22 gegenüber der
hydraulischen Kraft auf die Druckschulter 12 überwiegt
und das Ventilglied 10 wieder zurück in die Schließstellung
drückt.
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In 2 ist
eine Vergrößerung des
Ventilkörpers 5 im
Bereich des Druckraums 15 gezeigt. Das Ventilglied 10 weist
im Führungsabschnitt 107 nur
ein sehr geringes Spiel auf, so daß zwischen der Bohrung 7 und
dem Ventilglied 10 ein schmaler Ringspalt ausgebildet ist.
Der Ringspalt drosselt den Kraftstofffluß vom Druckraum 15 am
Ventilglied 10 vorbei in den Federraum 20 stark,
so daß in
dem Ringspalt nur ein sehr geringer Kraftstoffdruck herrscht. Am
brennraumseitigen Ende des Führungsabschnitts 107 der Bohrung 7 ist
eine Ausnehmung 33 ausgebildet, die sich über einen
Teil des Umfangs der Bohrung 7 erstreckt und die mit dem
Druckraum 15 hydraulisch verbunden ist. Die Ausnehmung 33 ist
hierbei sichelförmig
im Führungsabschnitt 107 der
Bohrung 7 ausgebildet, so daß die Dichtlinie 35 in
einer Ebene verläuft,
deren Normale zur Längsachse 14 des
Ventilkörpers 5 geneigt
ist. Hierdurch ergeben sich ebenfalls asymmetrische hydraulische
Kräfte
auf das Ventilglied 10 im Bereich des Druckraums 15.
Die Übergangslinie 37 von
der Bohrung 7 in den Druckraum 15 verläuft dabei
parallel zur Dichtlinie 35. Es kann aber auch vorgesehen
sein, daß die Übergangslinie 37 in
einer Ebene liegt, die senkrecht zur Längsachse 14 des Ventilkörpers 5 ausgerichtet
ist.
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Durch
die Ausnehmung 33 wirkt der Kraftstoffdruck im Druckraum 15 auf
einem Teil des Umfangs über
die Dichtlinie 35 in den Führungsabschnitt 107 der
Bohrung 7 hinaus, wobei die Dichtlinie 35 die Grenze
bezeichnet, an der das Ventilglied 10 in den Führungsabschnitt 107 eintaucht.
Die in radialer Richtung wirkenden hydraulischen Kräfte auf
das Ventilglied 10 heben sich in diesem Bereich somit nicht
mehr auf und das Ventilglied 10 erfährt eine auf die Längsachse 14 des
Ven tilglieds 10 gerichtete resultierende Kraft. Dadurch
wird das Ventilglied 10 leicht aus seiner ideal mittigen
Lage in der Bohrung 7 gedrückt. Diese Desachsierung wirkt
sich auch auf die Lage der Ventildichtfläche 30 zum Ventilsitz 26 aus.
Sind die beiden im wesentlichen konischen Flächen der Ventildichtfläche 30 und
des Ventilsitzes 26 nicht mehr genau koaxial zueinander
ausgerichtet, so fließt
der Kraftstoff aus dem Druckraum 15 zu den Einspritzöffnungen 28 nicht
mehr gleichmäßig zwischen
der Ventildichtfläche 30 und
dem Ventilsitz 26 hindurch. Die Einspritzöffnungen 28 werden
ungleichmäßig mit
Kraftstoff versorgt und die Einspritzung des Kraftstoffs durch die
einzelnen Einspritzöffnungen 28 erfolgt
asymmetrisch. Über
die Ausnehmung 33 ist es jedoch möglich, diese Desachsierung des
Ventilglieds 10 in der Bohrung 7 reproduzierbar und
genau einzustellen, so daß die
asymmetrische Einspritzung durch die Einspritzöffnungen 28 ein reproduzierbar
herstellbarer Zustand ist. Demgegenüber kann bei einer symmetrischen
Ausrichtung des Ventilglieds 10 in der Bohrung 7 eine
symmetrische Einspritzung nicht über
die gesamte Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils garantiert
werden. Die übrigen
Komponenten der Brennkraftmaschine und die Anordnung des Kraftstoffeinspritzventils
in dieser müssen
an das asymmetrische Spritzprofil des Kraftstoffeinspritzventils
angepaßt
werden, insbesondere die Orientierung des Kraftstoffeinspritzventils
in der Brennkraftmaschine.
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Es
kann auch vorgesehen sein, daß die
Einspritzöffnungen 28 unterschiedliche
Querschnitte aufweisen, wodurch trotz der Desachsierung des Ventilglieds 10 zumindest
annähernd
eine gleichmäßige Einspritzung
durch die Einspritzöffnungen 28 erreicht
werden kann. Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Ventilglied 10 durch
eine Vorrichtung in der Bohrung 7 drehfixiert ist. Für eine einwandfreie
Funktion des Kraftstoffeinspritzventils ist die richtige Orientierung
von desachsierender Kraft zu der Anordnung der unterschiedlichen
Ein spritzöffnungen
wichtig. Die Drehfixierung kann beispielsweise durch eine im Führungsabschnitt 107 des
Ventilglieds 10 ausgebildete Längsnut erfolgen, in die eine
an der Wand der Bohrung 7 angeordnete Anformung eingreift.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Ventilglieds
dargestellt. Die Ausnehmung 133 ist hier sichelförmig gestaltet, so
daß die
brennraumseitige Begrenzungslinie 135 des geführten Abschnitts
des Ventilglieds 10 in einer Ebene verläuft, deren Normale zur Längsachse 14 des
Ventilkörpers 5 geneigt
ist. Die Begrenzungslinie 135 ragt dabei bis in den Führungsabschnitt 107 der Bohrung 7 hinein.