DE10031265A1

DE10031265A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10031265A1
Application number: DE10031265A
Authority: DE
Inventors: Axel Hockenberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2002-01-10
Also published as: EP1297252A1; WO2002001065A1; US6827297B2; US20020162906A1; CN1383470A; BR0106897A; KR20020027575A; JP2004502074A; PL352573A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil mit einem Ventilkörper (5), in dem in einer als Sackbohrung ausgeführten Bohrung (15) ein kolbenförmiges Ventilglied (7) längsverschiebbar geführt ist. An der Bodenfläche der Bohrung (15) ist ein konischer Ventilsitz (23) ausgebildet und wenigstens eine Einspritzöffnung (25), die einen zwischen dem brennraumseitigen Abschnitt (107) des Ventilgliedes (7) und der Bohrung (15) gebildeten Druckraum (11) mit dem Brennraum verbindet. Am brennraumseitigen Ende des Ventilgliedes (7) ist eine Ventilgliedspitze (13) ausgebildet, an der eine erste, an das Ventilglied (7) grenzende Konusfläche (30) und eine zweite, brennraumseitig zur ersten angeordnete Konusfläche (32) ausgebildet sind. Der Konuswinkel (alpha) der ersten Konusfläche (30) ist kleiner und der Konuswinkel (beta) der zweiten Konusfläche (32) ist größer als der Konuswinkel (gamma) des Ventilsitzes (23), so daß am Übergang der beiden Konusflächen (30, 32) eine Dichtkante (40) gebildet wird. An der ersten Konusfläche (30) ist eine umlaufende Ringnut (35) ausgebildet, die eine Vergrößerung des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers aufgrund der plastischen Verformung von Dichtkante (40) und Ventilsitz (23) auf ein genau definiertes Maß beschränkt (Figur 2).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil ist aus der Schrift DE 196 34 933 A1 bekannt. Am brennraumseitigen Ende des Ventilgliedes ist eine Ventilgliedspitze angeordnet und an dieser zwei Konusflächen. Eine erste Konusfläche grenzt an den Ventilgliedschaft und weist einen Öffnungswinkel auf, der kleiner als der des konischen Ventilsitzes ist. An die erste Konusfläche schließt sich brennraumseitig eine zweite Konusfläche an, deren Öffnungswinkel größer als der des Ven tilsitzes ist, so daß am Übergang der beiden Konusflächen eine Dichtkante gebildet wird, die in Schließstellung des Ventilgliedes durch eine auf das Ventilglied wirkende Schließkraft am Ventilsitz zur Anlage kommt.

Die Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes wird durch die hy draulische Kraft des Kraftstoffs im Druckraum ausgeübt, der in Schließstellung unter anderem auf die erste Konusfläche wirkt und so eine resultierende Kraft in axialer Richtung auf das Ventilglied bewirkt. Die Dichtkante definiert dabei den hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser des Ventilgliedes und damit bei gegebener Schließkraft den Öffnungsdruck des Kraftstoffs, bei dem das Ventilglied vom Ventilsitz entgegen der Schließkraft abhebt.

Der Öffnungsdruck des Kraftstoffeinspritzventils hängt ei nerseits von der auf das Ventilglied wirkenden Schließkraft und andererseits von der hydraulisch wirksamen Fläche des Ventilgliedes ab. Bei einem Kraftstoffeinspritzventil sinkt die Schließkraft durch Relaxationsprozesse im Ventilhalte körper und in der die Schließkraft erzeugenden Vorrichtung im Betrieb etwas ab. Für ein optimal funktionierendes Kraft stoffeinspritzventil ist es jedoch wichtig, daß der Öff nungsdruck im Betrieb konstant bleibt. Um dem entgegenzuwir ken muß sich die hydraulisch wirksame Fläche des Ventilglie des verkleinern. Dies wird dadurch erreicht, daß die Diffe renz der Konuswinkel von Ventilsitz und erster Konusfläche kleiner ist als die Differenz der Konuswinkel von zweiten Konusfläche und Ventilsitz. Im Betrieb des Kraftstoffein spritzventil drückt sich die Dichtkante durch plastische Verformung in den Ventilsitz ein, und die hydraulisch wirk same Dichtkante verlagert sich von der ursprünglichen Dicht kante zum Ventilgliedschaft hin. Dadurch vergrößert sich der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser und die damit einherge hende Verringerung der in Öffnungsrichtung wirkenden Fläche kompensiert wenigstens teilweise die abfallende Schließ kraft, so daß der Öffnungsdruck weitgehend konstant bleibt. Bei gleichbleibender Schließkraft erhöht sich entsprechend der Öffnungsdruck.

Bei den bekannten Ventilgliedern läßt sich jedoch nicht vor herbestimmen, wie weit sich der hydraulisch wirksame Sitz durchmesser des Ventilgliedes im Betrieb ändert und damit, wie stark sich die in Öffnungsrichtung wirkende Fläche ver größert. Um einigermaßen reproduzierbare Ergebnisse zu er zielen, müssen deshalb sowohl die Konusflächen als auch der Ventilsitz sehr exakt und damit kostenintensiv gefertigt werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß sich der resultierende Öffnungsdruck des Kraftstoffeinspritzventils im Betrieb nicht oder nur unwe sentlich ändert. An der ersten Konusfläche ist eine umlau fende Ringnut ausgebildet, die die Vergrößerung des hydrau lisch wirksamen Sitzdurchmessers begrenzt. Dadurch steigt der Öffnungsdruck des Kraftstoffeinspritzventils bei gegebe ner Schließkräft durch die Zunahme des effektiven hydrauli schen Sitzdurchmessers an, allerdings nur bis zu einem durch die Fertigung leicht bestimmbaren Wert. Dies kompensiert den Abfall der Schließkraft, der aufgrund von Relaxationsprozes sen des Ventilhaltekörpers und des die Schließkraft erzeu genden Mechanismus entsteht. Da die Zunahme des effektiven hydraulischen Sitzdurchmessers durch die Ringnut genau defi niert geschieht, können die übrigen Komponenten des Kraft stoffeinspritzventils an diesen Öffnungsdruckanstieg optimal angepaßt werden können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung sind an der konischen Fläche zwischen dem Ventil gliedschaft und der Ringnut Längsnuten angeordnet. Dadurch wird einer Kavitationswirkung in der Ringnut und den damit verbundenen Verschleißproblemen entgegengewirkt. Hebt das Ventilglied sehr schnell vom Ventilsitz ab, kann es zu Be ginn der Öffnungshubbewegung dazu kommen, daß der Kraftstoff durch den zwischen der Ventilgliedspitze und dem Ventilsitz gebildeten Spalt nicht schnell genug in die Ringnut strömen kann. Durch die Längsnuten wird der Kraftstoffstrom aus dem Druckraum in die Ringnut verbessert und Kavitationen können nicht oder nur in deutlich reduziertem Ausmaß auftreten.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffein spritzventil dargestellt. Es zeigt die Fig. 1 ein Kraft stoffeinspritzventil im teilweisen Längsschnitt und Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung von Fig. 1 im Bereich des Ven tilsitzes.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraft maschinen im teilweisen Längsschnitt gezeigt. Ein Ventilkör per 5 ist mittels eines Spannelements 3 gegen einen Ventil haltekörper 1 verspannt, welche zusammen eine Düsenhalter kombination bilden, die in Einbaulage in einer in der Zeich nung nicht dargestellten Aufnahmebohrung einer Brennkraftma schine angeordnet ist. Im Ventilkörper 5 ist eine Bohrung 15 ausgebildet, die als Sackbohrung ausgeführt ist und deren Bodenfläche dem Brennraum zu angeordnet ist. An der Boden fläche der Bohrung 15 ist ein konischer Ventilsitz 23 mit einem Konuswinkel γ ausgebildet und wenigstens eine Ein spritzöffnung 25, die die Bohrung 15 mit dem Brennraum ver bindet. In der Bohrung 15 ist ein kolbenförmiges Ventilglied 7 angeordnet, das eine Längsachse 19 aufweist und das mit einem brennraumabgewandten Führungsabschnitt 207 in der Boh rung 15 geführt und so axial beweglich ist. Das Ventilglied 7 verjüngt sich zum Brennraum hin unter Bildung einer Druck schulter 9 und geht in einen Ventilgliedschaft 107 über. Am brennraumseitigen Ende des Ventilgliedes 7 ist eine Ventil gliedspitze 13 angeordnet, die sich zum Brennraum hin ver jüngt. Die Druckschulter 9 ist in einem im Ventilkörper 5 ausgebildeten Druckraum 11 angeordnet, der zum Brennraum hin in einen den Ventilgliedschaft 107 umgebenden Ringkanal übergeht und sich bis zur Bodenfläche der Bohrung 15 er streckt. Im Ventilhaltekörper 1 und im Ventilkörper 5 ist ein Zulaufkanal 17 ausgebildet, der in den Druckraum 11 mün det und über den der Druckraum 11 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist.

Das Ventilglied 7 wird von einer Schließkraft in Richtung auf den Brennraum zu beaufschlagt. Die die Schließkraft er zeugende Vorrichtung ist dabei im Ventilhaltekörper 1 ange ordnet, beispielsweise in Form einer vorgespannten Feder. Es kann auch vorgesehen sein, die Schließkraft durch mehrere Federn zu erzeugen, die abhängig vom Hub des Ventilgliedes 7 einzeln oder gemeinsam die Schließkraft erzeugen. Außerdem kann auch durch Aufbau eines Drucks im Federraum eine zu sätzliche Schließkraft erzeugt werden. Durch diese Schließ kraft wird das Ventilglied 7 mit der Ventilgliedspitze 13 gegen den Ventilsitz 23 gepreßt, wodurch der Druckraum 11 gegen die Einspritzöffnungen 25 verschlossen wird. Die Öff nungshubbewegung des Ventilgliedes 7 erfolgt dadurch, daß die hydraulische Kraft des Kraftstoffs im Druckraum 11 auf die Druckschulter 9 und zumindest auf einen Teil der Ventil gliedspitze 13 einwirkt. Dadurch ergibt sich eine in axialer Richtung wirkende Öffnungskraft auf das Ventilglied 7 entge gen der Schließkraft. Ist die Öffnungskraft größer als die Schließkraft, so bewegt sich das Ventilglied 7 in der Boh rung 15 vom Brennraum weg und die Ventilgliedspitze 13 hebt vom Ventilsitz 23 ab. Die Einspritzöffnungen 25 sind nun mit dem Druckraum 11 verbunden und Kraftstoff wird in den Brenn raum eingespritzt. Bei umgekehrtem Verhältnis von Öffnungs- und Schließkraft erfolgt die Schließbewegung des Ventilglie des 7 und durch die axiale Bewegung des Ventilgliedes 7 auf den Brennraum zu kommt die Ventilgliedspitze 13 am Ventil sitz 23 zur Anlage und beendet so den Einspritzvorgang.

In Fig. 2 ist das Ventilglied 7 in Schließstellung im Be reich der Ventilgliedspitze 13 dargestellt und der das Ven tilglied 7 umgebende Ventilkörpers 5 im Längsschnitt. An der Ventilgliedspitze 13 ist eine erste Konusfläche 30 ausgebil det, die an den Ventilgliedschaft 107 grenzt und einen Ko nuswinkel α aufweist. Der Konuswinkel α ist dabei kleiner als der Konuswinkel γ des Ventilsitzes 23, so daß zwischen der ersten Konusfläche 30 und dem Ventilsitz 23 ein erster Differenzwinkel δ₁ gebildet wird. An die erste Konusfläche 30 schließt sich an der Ventilgliedspitze 13 brennraumseitig eine zweite Konusfläche 32 an, deren Konuswinkel β größer als der Konuswinkel γ des Ventilsitzes 23 ist. Der dadurch gebildete zweite Differenzwinkel δ₂ zwischen der zweiten Ko nusfläche 32 und dem Ventilsitz 23 ist dabei größer als der erste Differenzwinkel δ₁. Durch den Übergang von der ersten 30 zur zweiten Konusfläche 32 ist an der Ventilgliedspitze 13 eine umlaufende Dichtkante 40 ausgebildet, die in einer Radialebene zur Längsachse 19 des Ventilgliedes 7 liegt. Die Ventilgliedspitze 13 liegt in Schließstellung des Ventil gliedes 7 mit der Dichtkante 40 am Ventilsitz 23 an, so daß ein dichter Verschluß des Druckraums 11 gegen die Ein spritzöffnungen 25 erreicht wird, die brennraumzugewandt zur Anlagestelle der Dichtkante 40 am Ventilsitz 23 in der Bo denfläche der Bohrung 15 angeordnet sind.

An der ersten Konusfläche 30 ist eine umlaufende Ringnut 35 angeordnet, die in einer Radialebene zur Längsachse 19 des Ventilgliedes 7 verläuft. Ihr Querschnitt kann kreisbogen förmig sein oder auch eine andere, zweckdienliche Form auf weisen. Beispielsweise kann der Querschnitt durch einen Po lygonzug gebildet werden oder Teil einer Ellipse sein. Die Breite der Ringnut beträgt vorzugsweise 0,15 bis 0,5 mm.

Öffnet das Ventilglied 7 sehr schnell, so kann es dazu kom men, daß sich im Bereich der Ringnut 35 Kavitationen bilden. Deshalb kann es vorgesehen sein, daß die Ringnut 35 durch eine oder mehrere Längsnuten 42 mit dem Ventilgliedschaft 107 verbunden ist. Die Längsnuten 42 erleichtern den Zulauf von Kraftstoff aus dem Druckraum 11 in die Ringnut 35 zu Be ginn der Öffnungshubbewegung, so daß sich Kavitationen nicht oder in erheblich vermindertem Maß bilden können. Die Längs nuten 42 verlaufen vorzugsweise parallel zu den Mantellinien der ersten Konusfläche 30 und sind, wenn mehr als eine Längsnut 42 vorgesehen ist, vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Ventilgliedes 7 verteilt.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäß ausgestalteten Ven tilgliedspitze 13 ist wie folgt: In Schließstellung des Ven tilgliedes 7 wird die Dichtkante 40 an den Ventilsitz 23 ge preßt. Damit ist im Prinzip eine Linienberührung gegeben und es treten hohe Spannungen sowohl im Ventilglied 7 als auch im Ventilsitz 23 auf, die zu elastischen und plastischen Verformungen von Ventilglied 7 und Ventilsitz 23 führen, so daß sich im Laufe des Betriebs die Dichtkante 40 in den Ven tilsitz 23 eindrückt und eine Flächenberührung vorliegt. Da der erste Differenzwinkel δ₁ kleiner als der zweite Diffe renzwinkel δ₂ ist, verschiebt sich durch das Eindrücken der Dichtkante 40 die hydraulisch wirksame Dichtkante, also die Grenzlinie, bis zu der der Druck des Kraftstoffs im Druck raum 11 in Schließstellung des Ventilgliedes 7 wirkt, von der Dichtkante 40 in Richtung auf die Ringnut 35. Erreicht die hydraulisch wirksame Dichtkante die untere, dem Brenn raum zugewandte Ringnutkante 38, kann sie nicht mehr weiter wandern und die hydraulisch wirksame Dichtkante fällt mit der unteren Ringnutkante 38 zusammen. Durch eine geeignete Auswahl der Materialien von Ventilglied 7 und Ventilsitz 23 kann sichergestellt werden, daß die Ventilgliedspitze 13 nicht soweit in den Ventilsitz 23 eingedrückt wird, daß auch die obere, dem Brennraum abgewandte Ringnutkante 37 am Ven tilsitz 23 zur Anlage kommt.

Der Konuswinkel der Ventilsitzes beträgt 55 bis 65 Grad, vorzugsweise etwa 60 Grad. Die Konuswinkel von erster 30 und zweiter Konusfläche 32 sind so ausgebildet, daß die Diffe renzwinkel δ₁, δ₂ jeweils weniger als 1,5 Grad betragen. Dabei ist stets der erste Differenzwinkel δ₁ kleiner als der zwei te Differenzwinkel δ₂.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit ei nem Ventilkörper (5), in dem eine Bohrung (15) angeordnet ist, an deren brennraumseitigen Ende ein konischer yen tilsitz (23) und wenigstens eine Einspritzöffnung (25) angeordnet sind, welche die Bohrung (15) mit dem Brenn raum verbindet, und mit einem in der Bohrung (15) geführ ten, längsverschiebbaren, kolbenförmigen Ventilglied (7), das einen dem Ventilsitz (23) zugewandten Ventilglied schaft (107) aufweist, zwischen dem und der Wand der Boh rung (15) ein mit Kraftstoff befüllbarer Druckraum (11) ausgebildet ist, und welches Ventilglied (7) an seinem brennraumseitigen Ende eine Ventilgliedspitze (13) auf weist, an welcher eine erste Konusfläche (30) und eine zweite, sich brennraumseitig an die erste Konusfläche (30) anschließende zweite Konusfläche (32) ausgebildet ist, wobei der Konuswinkel (α) der ersten Konusfläche (30) kleiner und der Konuswinkel (β) der zweiten Konus fläche (32) größer als der Konuswinkel (γ) des Ventilsit zes (23) ist, so daß am Übergang der beiden Konusflächen (30,32) eine umlaufende Dichtkante (40) gebildet wird, die in Schließstellung des Ventilgliedes (7) am Ventil sitz (23) bezüglich des Kraftstoffflusses zu den Ein spritzöffnungen (25) stromaufwärts der Einspritzöffnungen (25) zur Anlage kommt, dadurch gekennzeichnet, daß an der ersten konischen Fläche (30) der Ventilgliedspitze (13) eine umlaufende Ringnut (35) ausgebildet ist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ringnut (35) in einer Radialebene der Längsachse (19) des Ventilgliedes (7) verläuft.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß an der zwischen dem Ventilgliedschaft (107) und der Ringnut (35) ausgebildeten Konusfläche we nigstens eine Längsnut (42) angeordnet ist, die den Ven tilgliedschaft (107) mit der Ringnut (35) verbindet.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die wenigstens eine Längsnut (42) zu mindest annähernd parallel zu den Mantellinien der ersten Konusfläche (30) verläuft.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere Längsnuten (42) vorhanden sind, die gleichmäßig über den Umfang des Ventilgliedes (7) verteilt sind.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel (γ) des Ventilsitzes (23) 55 bis 65 Grad, beträgt, vorzugswei se etwa 60 Grad.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Konuswinkel von erster konischer Fläche (30) und Ventil sitz (23) weniger als 1,5 Grad beträgt, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 Grad.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Differenz der Konuswinkel von zwei ter konischer Fläche (32) und Ventilsitz (23) weniger als 1 Grad beträgt, vorzugsweise 0,5 bis 0,7 Grad.