DE10122503A1

DE10122503A1 - Ventil mit radialen Ausnehmungen

Info

Publication number: DE10122503A1
Application number: DE10122503A
Authority: DE
Inventors: Patrick Mattes; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2002-11-21
Also published as: US7000856B2; JP2004519604A; EP1387950B1; PL358462A1; CN1462342A; DE50214168D1; JP4157384B2; EP1387950A1; US20040056118A1; WO2002090761A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil mit einer in einer Bohrung (5) eines Ventilkörpers (3) axial verschiebbaren Ventilnadel (2), die an ihrem einen Ende eine konische Ventilnadelspitze (4) aufweist. Die Ventilnadelspitze (4) umfaßt dabei eine radiale Ventildichtfläche (9), die in Schließstellung des Ventils an einer konischen Ventilkörperinnenwand (6) am geschlossenen Ende der Bohrung (5) zur Anlage kommt. In der konischen Ventilkörperinnenwand (6) ist mindestens eine Öffnung (7) angeordnet, die die Bohrung (5) mit der Außenseite (8) des Ventilkörpers (3) verbindet. Das Ventil enthält zwei radiale Ausnehmungen (12, 13, 16, 17), die in der Ventilnadelspitze (4) oder der Ventilkörperinnenwand (6) angeordnet sind, wobei sich eine der radialen Ausnehmungen (13, 17) stromaufwärts (10) und die andere radiale Ausnehmung (12, 16) stromabwärts (11) von der Position der Ventildichtfläche (9) in Schließstellung des Ventils befindet.

Description

Technisches Gebiet

Einspritzdüsen sind wesentliche Bauteile von selbstzündenden Brennkraftmaschinen. Zu ihren Aufgaben zählen das dosierte Einspritzen, das Aufbereiten des Kraftstoffs, das For men des Einspritzverlaufs und das Abdichten gegen den Brennraum. Neben der Hauptein spritzung erfolgt u. a. bei Common Rail-Dieseleinspritzsystemen eine Voreinspritzung, die eine Absenkung von Abgasemissionen und von Geräuschabstrahlungen ermöglicht. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch nicht nur Kraftstoffeinspritzdüsen, sondern alle Arten von Düsen bzw. Zumeßventilen.

Stand der Technik

DE 196 34 933 bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Bohrung eines Ventilkörpers axial verschiebbaren Ventilglied. Das Ventil glied weist an seinem dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Ende eine konische Ventildichtfläche auf, mit der es mit einer konischen Ventilsitzfläche am brenn raumseitigen geschlossenen Ende der Bohrung des Ventilkörpers zusammenwirkt. Die ko nische Ventildichtfläche am Ventilglied ist in zwei unterschiedliche Kegelwinkel aufwei sende Bereiche geteilt. An dem Übergang der zwei Bereiche ist eine Ventildichtkante ge bildet. Ferner weist das Kraftstoffeinspritzventil wenigstens eine Einspritzöffnung auf, die sich in dem sich stromabwärts an die Dichtkante anschließenden Bereich befindet. Schließlich ist zwischen den jeweils einen unterschiedlichen Kegelwinkel aufweisenden Ventildichtflächenbereichen ein Absatz vorgesehen, woraus sich Vorteile für die Zumeß genauigkeit der Einspritzmenge ergeben.

Die Zumessung der Einspritzmenge durch eine Kraftstoffeinspritzdüse ändert sich über ihre Lebensdauer aufgrund von Verschleiß. Insbesondere bei Common Rail Injektoren ver ändert sich die Position der Ventildichtfläche, also derjenigen Fläche, mit der die Ventilna delspitze in Schließstellung des Ventils an der konischen Ventilkörperinnenwand zur An lage kommt. Die Ventildichtfläche kann, verursacht durch Verschleiß, sowohl zum größe ren als auch zum kleineren Durchmesser der konischen Ventilnadelspitze "wandern". Die Ventilnadel kommt folglich in Schließposition des Ventils an einem höheren Punkt relativ zum Ventilkörper an der Ventilkörperinnenwand zur Anlage. Dadurch ergibt sich ein ver änderter Einspritzverlauf. Dies führt insbesondere bei Common Rail Einspritzdüsen dazu, daß mit fortschreitender Lastspielzahl (Zahl der Lastwechsel) die Voreinspritzmenge klei ner wird und schließlich ganz wegfällt.

Darstellung der Erfindung

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das "Wandern" der Ventildichtfläche be grenzt und der Verschleiß des Ventils reduziert wird. Dies wird erreicht durch ein Ventil mit einer in einer Bohrung eines Ventilkörpers axial verschiebbaren Ventilnadel, die an ihrem einen Ende eine konische Ventilnadelspitze aufweist. Die Ventilnadelspitze umfaßt dabei eine radiale Ventildichtfläche, die in Schließstellung des Ventils an einer konischen Ventilkörperinnenwand am geschlossenen Ende der Bohrung zur Anlage kommt. In der konischen Ventilkörperinnenwand ist mindestens eine Öffnung angeordnet, die die Boh rung mit der Außenseite des Ventilkörpers verbindet. Das Ventil enthält zwei radiale Aus nehmungen, die in der Ventilnadelspitze oder der Ventilkörperinnenwand angeordnet sind, wobei sich eine der radialen Ausnehmungen stromaufwärts und die andere radiale Aus nehmung stromabwärts von der Position der Ventildichtfläche in Schließstellung des Ven tils befindet.

Zwischen den radialen Ausnehmungen befindet sich ein Sitzbereich, auf den das "Wan dern" der Ventildichtfläche begrenzt ist. In Schließstellung des Ventils kommt die Ventil nadelspitze mit der Ventildichtfläche in diesem Sitzbereich an der konischen Ventilkörpe rinnenwand zur Anlage und dichtet somit die Bohrung stromaufwärts von der Ventildicht fläche gegen die Bohrung stromabwärts von der Ventildichtfläche und somit auch gegen die Außenseite des Ventilkörpers ab. Unter der Außenseite des Ventilkörpers ist in diesem Zusammenhang dasjenige Volumen zu verstehen, in das ein strömendes flüssiges oder gas förmiges Medium eintritt, wenn es bei geöffnetem Ventil aus dem Ventil über seine Öff nungen austritt. Mit zunehmendem Verschleiß kann die Ventildichtfläche (bezogen auf die Schließstellung des Ventils) entweder bis zur Oberkante der ersten Ausnehmung stromab wärts oder bis zur Unterkante der zweiten Ausnehmung stromaufwärts "wandern", aber nicht weiter. Die Ausnehmungen verhindern, dort wo sie radial in der Ventilnadelspitze oder der Ventilkörperinnenwand angeordnet sind, ein Anliegen der Ventilnadelspitze an der Ventilkörperinnenwand, da sie einen Abstand zwischen diesen beiden Bestandteilen des Ventils erzeugen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die konische Ventilnadelspitze eine Mantelfläche, die mindestens zwei Bereiche mit verschiedenen Ke gelwinkeln umfaßt.

Die Anordnung der mindestens zwei Bereiche der Ventilnadelspitze mit den verschiedenen Kegelwinkeln in Kombination mit den Positionen der erfindungsgemäßen zwei radialen Ausnehmungen und dem Kegelwinkel der konischen Ventilkörperinnenwand definieren, auf welcher Position der Ventilnadelspitze sich die Ventildichtfläche befindet.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsge mäßen Ventils, wobei die Ausnehmungen durch Bearbeitung eines Standardventils gefer tigt werden, beispielsweise durch spanende Bearbeitung. Durch Verwendung von Stan dardventilen, die serienmäßig eingesetzt werden, können die erfindungsgemäßen Ventile kostengünstig und mit geringem Aufwand hergestellt werden.

Zeichnung

Anhand der Figur wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 zwei mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils.

Ausführungsvarianten

Fig. 1 zeigt zwei Varianten des erfindungsgemäßen Ventils kombiniert in einer schemati schen Zeichnung. Eine Variante ist links von der Symmetrieachse 1, die andere rechts da von dargestellt. Hauptbestandteile des gezeigten Ventils sind die Ventilnadel 2 und der Ventilkörper 3, wobei die Ventilnadel 2 axial in dem Ventilkörper 3 verschiebbar ist. Die Ventilnadel 2 weist an ihrem Ende eine konische Ventilnadelspitze 4 auf. Der Ventilkörper 3 enthält eine Bohrung 5, die am Ende konisch zuläuft. In der konischen Ventilkörperin nenwand 6 sind Öffnungen 7 angeordnet, die die Bohrung 5 bei geöffnetem Ventil mit der Außenseite 8 des Ventilkörpers 3 verbinden.

In der Schließstellung des Ventils kommt die Ventilnadelspitze 4 mit einer radialen Ventil dichtfläche 9 an der konischen Ventilkörperinnenwand 6 zur Anlage. Die Ventildichtfläche 9 hat die Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfs. Sie liegt bei geschlossenem Ventil an der konischen Ventilkörperinnenwand 6 an und dichtet somit die Bohrung 5 stromaufwärts 10 von der Ventildichtfläche 9 gegen die Bohrung 5 stromabwärts 11 von der Ventildicht fläche 9 ab. Das Ventil ist dann dicht geschlossen und ein flüssiges oder gasförmiges Me dium kann nicht aus den Öffnungen 7 zur Außenseite 8 austreten.

Bei der links von der Symmetrieachse 12 dargestellten ersten Variante des erfindungsge mäßen Ventils enthält das Ventil zwei radiale Ausnehmungen 12 und 13. Beide sind in der Ventilnadelspitze 4 angeordnet.

In dieser bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils umfaßt die Man telfläche der Ventilnadelspitze 4 drei Bereiche mit verschiedenen Kegelwinkeln δ₁, δ₂ und δ₃. Die drei Bereiche werden jeweils durch eine der zwei Ausnehmungen 12, 13 voneinan der getrennt. Die Grenzen der Bereiche liegen zwischen der oberen 18 und der unteren Kante 19 oder auf einer der beiden Kanten der jeweiligen Ausnehmung 12, 13. Die Kegel winkel δ₁, δ₂, δ₃ der drei Bereiche werden stromabwärts 11 größer (δ₁ < δ₂ < δ₃). Der Ke gelwinkel β der konischen Ventilkörperinnenwand 6 ist kleiner als der Kegelwinkel δ₃ und größer als der Kegelwinkel δ₂. Dadurch ist die Position der Ventildichtfläche 9 des Ventils, bevor es verschleißt, genau definiert. Sie liegt an dem Übergang zwischen den beiden Be reichen mit den Kegelwinkeln δ₂ und δ₃ oder, falls dort wie in Fig. 1 eine Ausnehmung 12 angeordnet ist, an der oberen Kante dieser Ausnehmung 12. Durch Verschleiß kann sich die Anlage-Position der Ventildichtfläche 9 an der Ventilkörperinnenwand 6 in Schließpo sition des Ventils lediglich in dem Sitzbereich 14 zwischen den Ausnehmungen 12 und 13 verschieben. Der Abstand zwischen den beiden Ausnehmungen 12 und 13 gibt vor, wie weit die Ventildichtfläche maximal "wandern" kann, wie groß demnach der mögliche Sitz bereich 14 ist.

Durch die Vorgabe δ₁ < δ₂ für die Kegelwinkel der zwei Ventilnadelspitzen-Bereiche erge ben sich zwei Differenzwinkel α₁, α₂ von der Ventilnadelspitze 4 zu der konischen Ventil körperinnenwand 6, für die gilt: α₂ < α₁. Dies ist eine weitere Maßnahme, um ein Wandern der Ventildichtfläche 9 zu einem größeren Ventilnadeldurchmesser hin, oberhalb der zweiten Ausnehmung 13, zu verhindern. Als Ergebnis liegt die Ventildichtfläche 9 bei ge schlossenem Ventil ausschließlich in dem Sitzbereich 14 an der Ventilkörperinnenwand 6 an.

Zur Gewährleistung, daß der Differenzwinkel α₂ größer als der Differenzwinkel α₁ ist, wä re auch denkbar, daß die Ventilnadelspitze nur zwei Bereiche mit unterschiedlichen Ke gelwinkeln δ₂ und δ₃ aufweist, die Ventilkörperinnenwand 6 jedoch in Schließposition des Ventils stromaufwärts 10 von der unteren Kante der zweiten Ausnehmung 13 einen Ke gelwinkel aufweist, der größer als der Kegelwinkel β der Ventilkörperinnenwand 6 strom abwärts 11 davon ist. Folglich würde das konische Ende des Ventilkörpers 3 stromaufwärts 10 einen "Knick nach außen" aufweisen.

Für die zweite, rechts von der Symmetrieachse 1 dargestellte Variante des erfindungsge mäßen Ventils gilt dasselbe wie für die erste Variante. Der einzige Unterschied zur ersten Variante besteht darin, daß nur die erste radiale Ausnehmung 16 in der Ventilnadelspitze 4 angeordnet ist, wohingegen sich die zweite radiale Ausnehmung 17 in der konischen Ven tilkörperinnenwand 6 befindet. Dadurch wird derselbe Effekt wie in der ersten Variante erzielt: Die Ventildichtfläche 9 kann infolge von Verschleiß des Ventils lediglich entlang des Sitzbereiches 15 "wandern", der in Schließposition des Ventils durch die beiden Aus nehmungen 16 und 17 begrenzt wird.

Denkbar sind weitere Varianten des erfindungsgemäßen Ventils (nicht in der Figur darge stellt), bei denen zum Beispiel beide Ausnehmungen in der konischen Ventilkörperinnen wand 6 oder die erste Ausnehmung in der Ventilkörperinnenwand 6 und die zweite Aus nehmung in der Ventilnadelspitze 4 angeordnet sind.

Bei den in Fig. 1 dargestellten Varianten der vorliegenden Erfindung haben die Ausneh mungen einen Querschnitt mit der Form eines Kreissegments (Nut). Weitere mögliche Formen, die der Querschnitt der jeweiligen Ausnehmung haben kann, sind die eines Kreis sektors, eines Drei-, Vier- oder sonstigen Vielecks oder Kombinationen aus verschiedenen der genannten Formen. Unter eine Kombination ist beispielsweise ein Querschnitt mit der Form eines Kreissektors, der in ein Viereck übergeht, zu verstehen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Ventil eine Kraftstoffeinspritzdüse, vorzugsweise in selbstzündenden Brennkraftmaschinen. Bei Kraft stoffeinspritzsystemen ergibt sich über die Lebensdauer der Kraftstoffeinspritzdüse eine Einspritzmengendrift durch ein verschleißbedingtes "Wandern" der Ventildichtfläche 9. Ein veränderter Einspritzverlauf kann zu unerwünschten Abgasemissionen, lauteren Lauf geräuschen oder einem größeren Verschleiß der selbstzündenden Brennkraftmaschine füh ren. Bei einem erfindungsgemäßen Ventil wird diese Einspritzmengendrift in vorteilhafter Weise begrenzt und stark verringert, da die Ventildichtfläche 9 lediglich innerhalb des Sitzbereichs 14, 15 "wandern" kann. In Abhängigkeit von dem axialen Abstand der beiden Ausnehmungen kann die maximale Mengendrift während der Lebensdauer der Kraftstof feinspritzdüse eingestellt werden.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Ventil als Kraftstoffeinspritzdüse in selbstzün denden Brennkraftmaschinen mit Common Rail-Dieseleinspritzung eingesetzt. Insbesonde re bei Common Rail-Düsen verringert sich die Voreinspritzmenge durch ein verschleißbe dingtes Wandern der Ventildichtfläche 9 zu größeren Ventilnadeldurchmessern hin, im Extremfall bleibt die Voreinspritzung ganz aus. Dies wird in vorteilhafter Weise durch den Einsatz erfindungsgemäßer Ventile verhindert.

Das erfindungsgemäße Ventil kann als Sitz- oder Sacklochdüse aufgebaut sein. Die Öff nungen 7 einer Sacklochdüse sind in einem Sackloch angeordnet, das sich in Schließstel lung des Ventils unterhalb der Ventilnadelspitze 4 in dem Ventilkörper 3 befindet. Bei Sitzlochdüsen liegt der Anfang der Öffnungen 7 so in der Ventilkörperinnenwand 6, daß sie bei geschlossener Düse durch die Ventilnadelspitze 4 weitgehend abgedeckt sind. In Fig. 1 ist eine Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils als Sitzlochdüse dargestellt.

Bezugszeichenliste

1

Symmetrieachse

2

Ventilnadel

3

Ventilkörper

4

Ventilnadelspitze

5

Bohrung

6

konische Ventilkörperinnenwand

7

Öffnung

8

Außenseite

9

Ventildichtfläche

10

stromaufwärts

11

stromabwärts

12

erste radiale Ausnehmung (

1

. Variante)

13

zweite radiale Ausnehmung (

1

. Variante)

14

Sitzbereich (

1

. Variante)

15

Sitzbereich (

2

. Variante)

16

erste radiale Ausnehmung (

2

. Variante)

17

zweite radiale Ausnehmung (

2

. Variante)

18

obere Kante einer Ausnehmung

19

untere Kante einer Ausnehmung
δ₁

erster Kegelwinkel von einem Bereich der Ventilnadelspitze
δ₂

zweiter Kegelwinkel von einem Bereich der Ventilnadelspitze
δ₃

dritter Kegelwinkel von einem Bereich der Ventilnadelspitze
β Kegelwinkel der Ventilkörperinnenwand
α₁

erster Differenzwinkel
α₂

zweiter Differenzwinkel

Claims

1. Ventil mit einer in einer Bohrung (5) eines Ventilkörpers (3) axial verschiebbaren Ventilnadel (2), die an ihrem einen Ende eine konische Ventilnadelspitze (4) aufweist, wobei die Ventilnadelspitze (4) eine radiale Ventildichtfläche (9) umfaßt, die in Schließstellung des Ventils an einer konischen Ventilkörperinnenwand (6) am ge schlossenen Ende der Bohrung (5) zur Anlage kommt, wobei in der konischen Ventil körperinnenwand (6) mindestens eine Öffnung (7) angeordnet ist, die die Bohrung (5) mit der Außenseite (8) des Ventilkörpers (3) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil zwei radiale Ausnehmungen (12, 13, 16, 17) enthält, die in der Ventilnadel spitze (4) oder der Ventilkörperinnenwand (6) angeordnet sind, wobei sich eine der ra dialen Ausnehmungen (13, 17) stromaufwärts (10) und die andere radiale Ausneh mung (12, 16) stromabwärts (11) von der Position der Ventildichtfläche (9) in Schließ stellung des Ventils befindet.

2. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Ventilnadelspit ze (4) eine Mantelfläche besitzt, die mindestens zwei Bereiche mit verschiedenen Ke gelwinkeln umfaßt.

3. Ventil gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche der Ventil nadelspitze (4) drei Bereiche mit verschiedenen Kegelwinkeln (δ₁, δ₂, δ₃) umfaßt, wo bei die drei Bereiche in Schließstellung des Ventils jeweils durch eine der zwei radia len Ausnehmungen (12, 13, 16, 17) voneinander getrennt werden und die Kegelwinkel (δ₁, δ₂, δ₃) der drei Bereiche stromabwärts (11) größer werden.

4. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Ventilkörperin nenwand (6) mindestens zwei Bereiche mit verschiedenen Kegelwinkeln umfaßt, wo bei die Kegelwinkel stromaufwärts (10) größer werden.

5. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide radialen Ausnehmungen in der Ventilnadelspitze (4) oder in der Ventilkörperinnenwand (6) angeordnet sind oder daß eine radiale Ausnehmung (16, 17) in der Ventilnadelspitze (4) und eine in der Ventilkörperinnenwand (6) angeordnet ist.

6. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (12, 13, 16, 17) einen Querschnitt haben, der die Form eines Kreissegments (Nut), eines Kreis sektors, eines Drei-, Vier-, oder sonstigen Vielecks oder Kombinationen daraus, be sitzt.

7. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil eine Kraftstoffein spritzdüse ist, vorzugsweise in selbstzündenden Brennkraftmaschinen.

8. Ventil gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die selbstzündenden Brenn kraftmaschinen eine Common Rail-Dieseleinspritzung umfassen.

9. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil als Sitz- oder Sacklochdüse aufgebaut ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Ventils gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (12, 13, 16, 17) durch Bearbeitung eines Standardventils gefertigt werden.