DE10115215A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents
Kraftstoffeinspritzventil für BrennkraftmaschinenInfo
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Abstract
Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (3), in dem eine Bohrung (7) ausgebildet ist. Am brennraumseitigen Ende der Bohrung (7) ist eine Ventilsitzfläche (10) und wenigstens eine Einspritzöffnung (9) ausgebildet, wobei die Einspritzöffnung (9) die Bohrung (7) mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. In der Bohrung (7) ist eine Düsennadel (12) längsverschiebbar angeordnet, die an ihrem brennraumseitigen Ende eine Dichtfläche (17) aufweist, die mit der Ventilsitzfläche (10) zusammenwirkt und so die wenigstens eine Einspritzöffnung (8) steuert. Die Düsennadel (12) weist eine mittige Längsbohrung (19) auf, in der eine Innennadel (14) angeordnet ist, die bezüglich des Ventilkörpers (3) ortsfest fixiert ist. Die Düsennadel (12) wird zumindest auf einem Teil ihrer Länge auf der Innennadel (14) geführt, so daß die Düsennadel (12) zu jedem Zeitpunkt exakt mittig in der Bohrung (7) gehalten wird (Figur 1).
Description
Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für
Brennkraftmaschinen aus, wie es beispielsweise aus der Of
fenlegungsschrift DE 43 03 813 A1 bekannt ist. Ein solches
Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper auf, in
dem eine Bohrung ausgebildet ist, an deren brennraumseitigem
Ende eine Ventilsitzfläche und wenigstens eine Einspritzöff
nung ausgebildet sind. In der Bohrung ist eine kolbenförmige
Düsennadel längsverschiebbar angeordnet, die in einem brenn
raumabgewandten Abschnitt in der Bohrung dichtend geführt
ist. Die Düsennadel verjüngt sich dem Brennraum zu unter
Bildung einer Druckschulter und geht an ihrem brennraumsei
tigen Ende in eine Ventildichtfläche über, die mit der Ven
tilsitzfläche zusammenwirkt und so durch Längsbewegung der
Düsennadel die wenigstens eine Einspritzöffnung auf- und zu
steuert. Auf Höhe der Druckschulter ist durch eine radiale
Erweiterung der Bohrung ein Druckraum ausgebildet, der sich,
die Düsennadel umgebend, als Ringkanal bis zur Ventilsitz
fläche fortsetzt. An ihrem brennraumabgewandten Ende wird
die Düsennadel von einer Schließkraft beaufschlagt, die in
Richtung des Ventilsitzes wirkt. Gleichzeitig wirkt auf die
Düsennadel eine hydraulische Kraft entgegen dieser Schließkraft,
die durch den Kraftstoffdruck im Druckraum und die
damit verbundene hydraulische Kraft auf die Druckschulter
ausgeübt wird.
In der im wesentlichen konischen Ventilsitzfläche sind im
allgemeinen mehrere Einspritzöffnungen gleichmäßig über den
Umfang des Ventilkörpers verteilt angeordnet. Für eine
gleichmäßige Einspritzung durch alle diese Einspritzöffnun
gen ist es wichtig, daß die Düsennadel und damit auch die im
wesentlichen konische Ventildichtfläche bei der Öffnungshub
bewegung der Düsennadel genau zentrisch zur Bohrung und da
mit zur Ventildichtfläche bleiben, so daß ein gleichmäßiger
Kraftstoffzufluß aus dem Druckraum zu den Einspritzöffnungen
stattfinden kann. Da die Düsennadel nun an dem brennraumab
gewandten Abschnitt in der Bohrung geführt ist, ergibt sich
nach Abheben der Ventildichtfläche von der Ventilsitzfläche
zwischen dem geführten Abschnitt und der Ventildichtfläche
eine sehr lange freie Länge der Düsennadel, so daß es leicht
zu einer Desachsierung der Düsennadel in der Bohrung kommen
kann und damit entsprechend zu einem ungleichmäßigen Zufluß
von Kraftstoff zu den Einspritzöffnungen. Gerade zu Beginn
der Öffnungshubbewegung bei einem nur sehr kleinen Spalt
zwischen der Ventildichtfläche und der Ventilsitzfläche hat
eine solche Desachsierung großen Einfluß auf das Einspritz
bild und damit auf die Qualität der Verbrennung.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kenn
zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den
Vorteil, daß die Düsennadel durch eine Innennadel geführt
ist, so daß eine exakte Zentrierung in der Bohrung über den
gesamten Hubbereich der Düsennadel gewährleistet ist. Die
Düsennadel weist eine mittige Längsbohrung auf, in der die
Innennadel angeordnet ist, die bezüglich des Ventilkörpers
fixiert ist. Die Düsennadel ist insbesondere in ihrem ven
tilsitzzugewandten Endabschnitt auf der Innennadel geführt,
so daß sich keine Desachsierung der Düsennadel im Bereich
des Ventilsitzes ergeben kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der
Erfindung weist die Innennadel wenigstens zwei radial nach
außen ragende Fixierstege auf, die an der Innenwand der Boh
rung anliegen und so die Innennadel in der Bohrung verstem
men. Hierdurch ist eine einfache Montage der Innennadel ge
währleistet, ohne daß am Ventilkörper konstruktive Änderun
gen oder Vorbereitungen zur Aufnahme der Innennadel durchge
führt werden müssen. Es kann dabei auch vorgesehen sein,
mehr als zwei Fixierstege auszubilden, die dann vorzugsweise
gleichmäßig über den Umfang der Innennadel verteilt angeord
net sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstan
des der Erfindung weist die Innennadel in ihrem Mittelbe
reich einen Freistich auf, so daß die Düsennadel nur in ei
nem brennraumzugewandten Endabschnitt und einem brennraumab
gewandten Endabschnitt auf der Innennadel geführt ist. Hier
durch ergeben sich zwischen der Innennadel und der Außenna
del weniger Reibungsverluste und die Gefahr des Fressens der
Außennadel auf der Innennadel ist reduziert.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des erfin
dungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils gezeigt. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritz
ventil,
Fig. 2 eine Vergrößerung von Fig. 1 im Bereich des Ven
tilkörpers,
Fig. 3 einen Querschnitt durch Fig. 2 entlang der Linie
III-III und
Fig. 4 eine Vergrößerung von Fig. 1 im Bereich des Ven
tilkörpers eines weiteren Ausführungsbeispiels.
In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Kraftstoffein
spritzventil gezeigt. Ein Ventilhaltekörper 1 ist mittels
einer Spannmutter 4 in axialer Richtung gegen einen Ventil
körper 3 verspannt. Im Ventilkörper 3 ist eine Bohrung 7
ausgebildet, an deren brennraumseitigen Ende eine Ventil
sitzfläche 10 ausgebildet ist, der im wesentlichen konisch
ausgebildet ist und in dem wenigstens eine Einspritzöffnung
9 angeordnet ist. In der Bohrung 7 ist eine Düsennadel 12
angeordnet, die kolbenförmig ausgebildet ist und die an ih
rem brennraumseitigen Ende eine im wesentlichen kegelstumpf
förmige Ventildichtfläche 17 aufweist, die mit der Ventil
sitzfläche 10 zusammenwirkt, so daß bei Anlage der Ventil
dichtfläche 17 an der Ventilsitzfläche 10 die Einspritzöff
nungen 9 verschlossen werden. Die Düsennadel 12 ist in einem
brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung 7 dichtend ge
führt, wobei der dichtend geführte Abschnitt der Düsennadel
12 einen größeren Durchmesser aufweist als der brennraumzu
gewandte Abschnitt der Düsennadel 12, so daß am Übergang ei
ne Druckschulter 22 ausgebildet ist. Durch eine radiale Er
weiterung der Bohrung 7 ist auf Höhe der Druckschulter 22
ein Druckraum 16 ausgebildet, der sich dem Brennraum zu als
ein die Düsennadel 12 umgebender Ringkanal bis zur Ventil
sitzfläche 10 fortsetzt. Der Druckraum 16 ist über einen im
Ventilkörper 3 und im Ventilhaltekörper 1 verlaufenden Zu
laufkanal 30 mit einem Hochdruckanschluß 49 verbunden, über
den Kraftstoff aus einer in der Zeichnung nicht dargestell
ten Kraftstoffhochdruckquelle in den Druckraum gefördert
werden kann. In Fig. 2 ist zur Verdeutlichung eine vergrößerte
Darstellung von Fig. 1 im Bereich des Ventilkörpers 3
gezeigt und Fig. 3 zeigt einen Querschnitt von Fig. 2 ent
lang der Linie III-III. Die Düsennadel 12 weist eine mittige
Längsbohrung 19 auf, die hier als Führungsbohrung dient und
in der eine Innennadel 14 angeordnet ist. Die Innennadel 14
weist an ihrem brennraumzugewandten Ende eine Anlagefläche
11 auf, die konisch ausgebildet ist und an der ebenfalls ko
nisch ausgebildeten Ventilsitzfläche 10 anliegt. Durch die
konische Form beider Flächen wird die Anlagefläche 11 zen
trisch fixiert, so daß die brennraumzugewandte Seite der In
nennadel 14 genau in Richtung der Längsachse 6 der Bohrung 7
ausgerichtet ist. Am brennraumabgewandten Ende weist die In
nennadel 14 drei Fixierstege 20 auf, die sich in radialer
Richtung von der Innennadel 14 nach außen erstrecken, wo sie
kraftschlüssig in der Bohrung 7 verstemmt sind. Die drei Fi
xierstege 20 sind gleichmäßig über den Umfang der Innennadel
14 verteilt angeordnet, so daß die Innennadel 14 durch die
Fixierstege 20 genau in Richtung der Längsachse 6 der Boh
rung 7 ortsfest im Ventilkörper 3 fixiert wird. Es kann auch
vorgesehen sein, mehr oder weniger als drei Fixierstege 20
an der Düsennadel 12 auszubilden, die dann ebenfalls vor
zugsweise gleichmäßig über den Umfang der Innennadel 14 ver
teilt angeordnet sind. Die Düsennadel 12 weist entsprechende
Ausnehmungen 15 auf, die die Fixierstege 20 aufnehmen und so
die Längsverschiebbarkeit der Düsennadel 12 auf der Innenna
del 14 gewährleisten. Hierbei bleibt zwischen der brennraum
zugewandten Seite des Fixierstegs 20 und der Ausnehmung 15
ein Spalt 36 bestehen, der auch in Öffnungsstellung der Dü
sennadel 12 sicherstellt, daß die Düsennadel 12 nicht an den
Fixierstegen 20 der Innennadel 14 zur Anlage kommt, so daß
die Innennadel 14 nicht durch das ständige Anschlagen der
Düsennadel 12 aus ihrer mittig fixierten Lage dejustiert
wird.
Die Düsennadel 12 liegt an ihrem brennraumabgewandten Ende
an einem zylinderförmigen Druckstück 37 an, das in einem im
Ventilhaltekörper 1 ausgebildeten Federraum 32 angeordnet
ist. Zwischen dem brennraumabgewandten Ende des Federraums
32 und dem Druckstück 37 ist eine Schließfeder 34 unter
Druckvorspannung angeordnet, die über das Druckstück 37 auf
die Düsennadel 12 wirkt und so die Düsennadel 12 in Schließ
stellung - das ist, wenn die Ventildichtfläche 17 an der
Ventilsitzfläche 10 anliegt - drückt. Koaxial zur Bohrung 7
ist im Ventilhaltekörper 1 eine Kolbenbohrung 38 ausgebil
det, die in den Federraum 32 mündet. In der Kolbenbohrung 38
ist ein Druckkolben 39 längsverschiebbar angeordnet, der an
seinem brennraumzugewandten Ende bis in den Federraum 32
ragt und dort am Druckstück 37 anliegt und mit seiner brenn
raumabgewandten Stirnfläche 41 einen Steuerraum 40 begrenzt.
Der Öffnungshub der Düsennadel 12 wird hierbei durch den An
schlag des Druckkolbens 39 am brennraumabgewandten Ende der
Kolbenbohrung 38 gestoppt. Der Steuerraum 40 ist über eine
Zulaufdrossel 42 mit dem Zulaufkanal 30 verbunden und über
eine Ablaufdrossel 43 mit einem im Ventilhaltekörper 1 aus
gebildeten Leckölraum 48. Dieser Leckölraum 48 ist mit einem
in der Zeichnung nicht dargestellten Leckölsystem verbunden
und so ständig drucklos. Im Leckölraum 48 ist ein Magnetan
ker 45 angeordnet, an dessen dem Steuerraum 40 zugewandten
Ende eine Dichtkugel 47 angeordnet ist. Der Magnetanker 45
wird durch eine Feder 53 in Richtung des Steuerraums 40 be
aufschlagt, so daß die Dichtkugel 47 auf die Ablaufdrossel
43 gedrückt wird und die Ablaufdrossel 43 verschließt. Im
Ventilhaltekörper 1 ist ein die Feder 53 umgebender Elektro
magnet 51 angeordnet, der bei entsprechender Bestromung eine
anziehende Kraft auf den Magnetanker 45 ausübt, so daß die
ser entgegen der Kraft der Feder 53 in Richtung des Elektro
magneten 51 gezogen wird, so daß die Dichtkugel 47 die Ab
laufdrossel 43 freigibt. Wird der Elektromagnet 51 nicht be
stromt, so drückt die Feder 53 den Magnetanker 45 und damit
die Dichtkugel 47 wieder auf die Ablaufdrossel 43 und
verschließt so den Steuerraum 40 gegen den Leckölraum 48.
Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie
folgt: Über den Hochdruckanschluß 49 wird ständig Kraftstoff
unter hohem Druck bis in den Druckraum 16 geleitet, so daß
im Druckraum 16 ein konstanter vorgegebener Kraftstoffhoch
druck herrscht. Hierdurch ergibt sich eine hydraulische
Kraft auf die Druckschulter 22 der Düsennadel 12, die in
Öffnungsrichtung der Düsennadel 12 gerichtet ist. Soll keine
Einspritzung erfolgen, so ist der Elektromagnet 51 nicht be
stromt und die Ablaufdrossel 43 somit durch die Dichtkugel
47 verschlossen. Hierdurch herrscht im Steuerraum 40 bedingt
durch die Zulaufdrossel 42 derselbe Druck wie im Zulaufkanal
30 oder im Druckraum 16, so daß sich eine entsprechende hy
draulische Kraft auf die brennraumabgewandte Stirnfläche 41
des Druckkolbens 39 ergibt. Da der Druckkolben 39 einen grö
ßeren Durchmesser aufweist, und damit eine größere hydrau
lisch wirksame Fläche als die Düsennadel 12, überwiegt die
vom Druckkolben 39 über das Druckstück 37 auf die Düsennadel
12 ausgeübte Kraft, so daß die Düsennadel 12 in Schließstel
lung verharrt und die Einspritzöffnungen 9 verschließt. Soll
eine Einspritzung erfolgen, so wird der Elektromagnet 51 be
stromt und der Magnetanker 45 bewegt sich in Richtung des
Elektromagneten 51. Hierdurch gibt die Dichtkugel 47 die Ab
laufdrossel 43 frei und der Steuerraum 40 wird mit dem
Leckölraum 48 verbunden. Hierdurch sinkt der Druck im Steu
erraum 40, so daß nun die hydraulische Kraft auf die Druck
schulter 22 der Düsennadel 12 überwiegt und die Düsennadel
von der Ventilsitzfläche 10 abhebt und die Einspritzöffnun
gen 9 freigibt. Die Schließfeder 34 spielt hierbei nur eine
untergeordnete Rolle und dient hauptsächlich dazu, bei abge
schaltetem Kraftstoffeinspritzsystem die Düsennadel 12 in
geschlossener Stellung zu halten. Soll die Einspritzung be
endet werden, wird der Elektromagnet 51 stromlos geschaltet,
und der Kraftstoffhochdruck des Zulaufkanals 30 baut sich
wieder im Steuerraum 40 auf.
Bei der Montage der Düsennadel 12 und der Innennadel 14 in
der Bohrung 7 geht man beispielsweise folgendermaßen vor:
Die Innennadel 14 wird in die Düsennadel 12 eingeführt und
anschließend werden beide gemeinsam in die Bohrung 7 einge
führt. Hierbei sind die Ringstege 20 der Innennadel 14 so
ausgebildet, daß sie in die Bohrung 7 eingepreßt werden müs
sen, so daß eine ortsfeste Fixierung der Innennadel 14 in
der Bohrung 7 entlang deren Längsachse 6 erfolgt. Die Düsen
nadel 12 braucht nicht weiter fixiert zu werden, da sie
durch die Fixierung der Innennadel 14 eindeutig in der Boh
rung 7 angeordnet ist. Anschließend wird der Ventilhaltekör
per 1 mit dem darin bereits angeordneten Druckkolben 39, der
Schließfeder 34 und dem Druckstück 37 mittels der Spannmut
ter 4 gegen den Ventilkörper 3 verspannt.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin
dungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils gezeigt. Die Innen
nadel 14 hat hierbei keinen konstanten Außendurchmesser,
sondern weist zwischen einem ersten brennraumzugewandten
Führungsabschnitt 114 und einem zweiten brennraumabgewandten
Führungsabschnitt 214 einen Freistich 25 auf, in dessen Be
reich die Innennadel 14 im Außendurchmesser verringert ist.
Die Düsennadel 12 wird nur auf dem ersten Führungsabschnitt
114 und dem zweiten Führungsabschnitt 214 geführt, wodurch
die Gefahr des Fressens der Düsennadel 12 auf der Innennadel
14 verringert ist, und es werden sowohl der Verschleiß als
auch die Reibung der Düsennadel 12 auf der Innennadel 14 re
duziert. Hierbei kann es auch vorgesehen sein, daß der zwei
te Führungsabschnitt 214 ebenfalls entfällt und die Düsenna
del 12 auf der Innennadel 14 nur auf dem ersten Führungsab
schnitt 114 geführt wird. Die Düsennadel 12 ist im brennrau
mabgewandten Abschnitt der Bohrung 7 an ihrer Außenmantelfläche
ohnehin dichtend geführt, so daß eine Führung der Dü
sennadel 12 in diesem Bereich auf der Innennadel 14 zur Sta
bilisierung je nach Anforderung an das Kraftstoffeinspritz
ventil nicht unbedingt notwendig ist.
Claims (7)
1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit ei
nem Ventilkörper (3), in dem eine Bohrung (7) ausgebildet
ist, an deren Ende eine Ventilsitzfläche (10) und wenig
stens eine Einspritzöffnung (9) ausgebildet sind, welche
Einspritzöffnung (9) die Bohrung (7) mit dem Brennraum
der Brennkraftmaschine verbindet, und mit einer in der
Bohrung (7) längsverschiebbaren Düsennadel (12), die an
ihrem brennraumseitigen Ende eine Dichtfläche (17) auf
weist, die mit der Ventilsitzfläche (10) zusammenwirkt
und so die wenigstens eine Einspritzöffnung (9) steuert,
dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (12) eine mit
tige Längsbohrung (19) aufweist, in der eine Innennadel
(14) angeordnet ist, die bezüglich des Ventilkörpers (3)
ortsfest fixiert ist, wobei die Düsennadel (12) zumindest
auf einem Teil ihrer Länge auf der Innennadel (14) ge
führt ist.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Innennadel (14) wenigstens zwei ra
dial nach außen ragende Fixierstege (20) aufweist, die an
der Innenwand der Bohrung (7) anliegen und so die Innen
nadel (14) in der Bohrung (7) verstemmen.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Fixierstege (20) im brennraumabge
wandten Endbereich der Innennadel (14) angeordnet sind.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Fixierstege (20) gleichmäßig über
den Umfang der Innennadel (14) verteilt angeordnet sind.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Außennadel (12) zumindest an ihrem
brennraumseitigen Ende auf der Innennadel (14) geführt
ist.
6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Innennadel (14) einen Freistich
(25) aufweist.
7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Düsennadel (12) in einem brennraum
seitigen Endabschnitt auf der Innennadel (14) und in ei
nem brennraumabgewandten Endabschnitt in der Bohrung (7)
geführt ist.
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