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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für
Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1
aus. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil ist
beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 196 18 650 A1 bekannt. Das
bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper
auf, in dem in einer Bohrung eine kolbenförmige Ventilnadel
längsverschiebbar angeordnet ist, die an ihrem dem Brennraum
zugewandten Ende eine konisch ausgebildete Ventildichtfläche
aufweist. Die Bohrung wird am brennraumseitigen Ende durch
einen Ventilsitz verschlossen, und es befindet sich dort
wenigstens eine Einspritzöffnung, die den Ventilsitz mit dem
Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. Der Ventilsitz
weist ebenfalls eine konische Form auf, so dass der
Ventilsitz mit der Ventildichtfläche zur Steuerung der wenigstens
einen Einspritzöffnung zusammenwirken kann. In
Schließstellung des Kraftstoffeinspritzventils liegt die
Ventildichtfläche am Ventilsitz an, so dass kein Kraftstoff zwischen
der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz hindurch zu den
Einspritzöffnungen fließen kann. Soll eine Einspritzung
erfolgen, so hebt die Ventilnadel mit der Ventildichtfläche
vom Ventilsitz ab, und Kraftstoff strömt zwischen der
Ventildichtfläche und dem Ventilsitz hindurch den
Einspritzöffnungen zu.
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Die konische Ventildichtfläche kann in Bezug auf den
konischen Ventilsitz verschieden ausgestaltet werden:
Ist der Öffnungswinkel der Ventildichtfläche nur geringfügig
größer als der Öffnungswinkel des Ventilsitzes, so
verringert sich der Strömungsquerschnitt des Kraftstoffs zwischen
der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz den
Einspritzöffnungen zu. Der durch diesen Einspritzquerschnitt strömende
Kraftstoff wird deshalb beschleunigt, was zwei Nachteile mit
sich bringt: Zum einen muss der Kraftstoff, der sehr schnell
zu den Einspritzöffnungen fließt, dort bei sehr hoher
Geschwindigkeit einen Richtungswechsel in die
Einspritzöffnungen hinein vollziehen. Dies kann zu Energieverlusten und
damit zu einer Einspritzung mit geringerem Druck führen. Zum
anderen ergibt sich bei einer Desachsierung der Ventilnadel
in der Bohrung und damit auch der Ventildichtfläche am
Ventilsitz eine ungleiche Zuströmung von Kraftstoff zu den
einzelnen Einspritzöffnungen, wobei aufgrund des geringen
Volumens zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz ein
Ausgleich durch eine Strömung in tangentialer Richtung von
einem Spritzloch zum anderen nicht in ausreichendem Maße
stattfinden kann.
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Die andere Alternative ist, die konische Fläche an der
Ventildichtfläche mit einem Öffnungswinkel auszustatten, der
deutlich größer als der Öffnungswinkel des Ventilsitzes ist.
Bei maximalem Öffnungshub der Ventilnadel erhöht sich somit
der Strömungsquerschnitt zwischen der Ventildichtfläche und
dem Ventilsitz den Einspritzöffnungen zu. Der durch diesen
Strömungsquerschnitt fließende Kraftstoff wird somit den
Einspritzöffnungen zu verlangsamt, was die Umlenkverluste
beim Eintritt des Kraftstoffs in die Einspritzöffnungen
vermindert. Nachteilig ist jedoch hier, dass es aufgrund des
großen Strömungsquerschnitts zu Strömungsablösungen an der
Ventilnadel kommen kann, was auch hier zu Energieverlusten
führt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist
demgegenüber den Vorteil auf, dass beim Durchtritt des Kraftstoffs
zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz keine
Strömungsablösungen an der Ventilnadel auftreten und die
übrigen Strömungsverluste durch die Umlenkung in die
Einspritzöffnungen minimiert werden, so dass der Strahlimpuls
der Einspritzstrahlen maximiert wird. Hierzu ist bei
maximalem Öffnungshub der Ventilnadel der Strömungsquerschnitt
zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz
stromabwärts eines engsten Strömungsquerschnitts zumindest
näherungsweise konstant. In vorteilhafter Weise ist hierbei der
Ventilsitz konisch ausgebildet und auch die
Ventildichtfläche weist eine Konusfläche auf, wobei beide Konusflächen
dieselbe Längsachse aufweisen. Derartige Konusflächen lassen
sich mit etablierter Technik relativ einfach und präzise
herstellen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der
Erfindung weist die Ventildichtfläche eine zweite
Konusfläche auf, die an die erste Konusfläche grenzt und die einen
Öffnungswinkel aufweist, der kleiner ist als der
Öffnungswinkel des Ventilsitzes. Besonders vorteilhaft ist es, am
Übergang der ersten zur zweiten Konusfläche eine Dichtkante
auszubilden, die in Schließstellung der Ventilnadel am
Ventilsitz zur Anlage kommt und so die Einspritzöffnungen
verschließt.
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Als besonders vorteilhaft hat sich ein Öffnungswinkel von
80° bis 85° für die erste Konusfläche an der
Ventildichtfläche der Ventilnadel erwiesen. Besonders vorteilhaft ist ein
solcher Öffnungswinkel in Kombination mit einem Ventilsitz,
der einen Öffnungswinkel von 59° bis 61° aufweist.
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Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung einer
Ventildichtfläche mit zwei konischen Flächen, an deren Übergang
eine Dichtkante ausgebildet ist, in Kombination mit einem
Sackloch, das sich stromabwärts den Einspritzöffnungen zu an
den Ventilsitz anschließt. Durch diese Ausgestaltung ist der
engste Strömungsquerschnitt im Bereich der Dichtkante, so
dass stromabwärts der Dichtkante keine weitere Drosselung
des Kraftstoffstroms stattfindet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung schließt sich an den
Ventilsitz stromabwärts ein Sackloch an, von dem die
Einspritzöffnungen abgehen. Mit der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung von Ventildichtfläche und Ventilsitz ergeben sich
optimale Einströmbedingungen in das Sackloch und als Folge
ein stets symmetrisches Einspritzbild und ein maximaler
Einspritzimpuls.
Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes
Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Es zeigt Fig. 1 ein
Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt und Fig. 2 eine
Vergrößerung von Fig. 1 im Bereich des Ventilsitzes.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In der Zeichnung ist in Fig. 1 ein Längsschnitt durch ein
erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. In
einem Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 3 ausgebildet, in der
eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar
angeordnet ist. Die Ventilnadel 5 ist mit einem geführten Abschnitt
15 in einem Führungsabschnitt 23 der Bohrung 3 dichtend
geführt und weist eine Längsachse 17 auf. Vom geführten
Abschnitt 15 dem Brennraum zu verjüngt sich die Ventilnadel 5
unter Bildung einer Druckschulter 13 und geht an ihrem
brennraumseitigen Ende in eine Ventildichtfläche 7 über, die
im wesentlichen konisch ausgebildet ist. Am
brennraumseitigen Ende der Bohrung 3 ist ein Ventilsitz 11 ausgebildet,
der mit der Ventildichtfläche 7 zusammenwirkt. Darüber
hinaus ist am brennraumseitigen Ende der Bohrung 3 wenigstens
eine Einspritzöffnung 9 ausgebildet, die die Bohrung 3 mit
dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. Zwischen der
Ventilnadel 5 und der Wand der Bohrung 3 ist ein Ringkanal
21 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 13 durch eine
radiale Erweiterung einen Druckraum 19 bildet. Der Druckraum
19 ist über einen im Ventilkörper 1 verlaufenden Zulaufkanal
25 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar.
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Die Ventilnadel 5 wird durch eine in der Zeichnung nicht
dargestellte Vorrichtung mit einer Schließkraft an ihrem
brennraumabgewandten Ende beaufschlagt, so dass sie mit der
Ventildichtfläche 7 gegen den Ventilsitz 11 gepresst wird.
Bei Anlage der Ventildichtfläche 7 am Ventilsitz 11 werden
die Einspritzöffnungen 9 gegen den Ringkanal 21
verschlossen, und es kann kein Kraftstoff in den Brennraum der
Brennkraftmaschine gelangen. Wird Kraftstoff unter hohem Druck
durch den Zulaufkanal 25 in den Druckraum 19 und damit auch
in den Ringkanal 21 eingeführt, erhöht sich dort der
Kraftstoffdruck, so dass sich eine hydraulische Kraft auf die
Druckschulter 13 und auf Teile der Ventildichtfläche 7
ergibt. Übersteigen diese hydraulischen Kräfte die
Schließkraft, die die Ventilnadel 5 beaufschlagt, so bewegt sich
die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 11 weg, so dass Kraftstoff
aus dem Ringkanal 21 zwischen der Ventildichtfläche 7 und
dem Ventilsitz 11 hindurch den Einspritzöffnungen 9
zufließen kann, von wo der Kraftstoff in den Brennraum der
Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Bei entsprechend
reduziertem Druck im Druckraum 19 bzw. im Ringkanal 21 oder bei
einer erhöhten Schließkraft gleitet die Ventilnadel 5 wieder
zurück in ihre Schließstellung, d. h. in Anlage mit der
Ventildichtfläche 7 am Ventilsitz 11.
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In Fig. 2 ist eine Vergrößerung von Fig. 1 im Bereich des
Ventilsitzes gezeigt. Der Ventilsitz 11 ist konisch
ausgebildet und geht an seinem brennraumseitigen Ende in ein
Sackloch 40 über, wobei der Ventilsitz 11 dieselbe
Längsachse 17 wie die Ventilnadel 5 aufweist. Das Sackloch 40
besteht aus einem zylindrischem Abschnitt 140 und einem im
wesentlichen halbkugelförmigen Endabschnitt 240, welcher das
Sackloch 40 abschließt. Vom halbkugelförmigen Endabschnitt
240 gehen mehrere Einspritzöffnungen 9 ab, die den
Ventilkörper 1 durchdringen und das Sackloch 40 mit dem Brennraum
der Brennkraftmaschine verbinden. Die Einspritzöffnungen 9
sind hierbei vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des
Ventilkörpers 1 verteilt angeordnet.
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Die Ventildichtfläche 7 der Ventilnadel 5 unterteilt sich in
drei Konusflächen: An der Spitze der Ventilnadel 5 ist eine
erste Konusfläche 30 angeordnet, an die sich eine zweite
Konusfläche 32 anschließt, an diese wiederum eine dritte
Konusfläche 34, welche schließlich an den zylindrischen Teil
der Ventilnadel 5 angrenzt. Am Übergang der ersten
Konusfläche 30 zur zweiten Konusfläche 32 ist eine Ringkante 38
ausgebildet und am Übergang der zweiten Konusfläche 32 zur
dritten Konusfläche 34 eine Dichtkante 36. Die drei
Konusflächen 30; 32; 34 weisen jeweils einen unterschiedlichen
Öffnungswinkel auf, wobei der Öffnungswinkel a1 der ersten
Konusfläche 30 größer ist als der Öffnungswinkel a2 der
zweiten Konusfläche 32, welcher wiederum größer als der
Öffnungswinkel a3 der dritten Konusfläche 34 ist. Der
Öffnungswinkel b der Konusfläche 11 ist so bemessen, dass er
zwischen den Öffnungswinkeln a2 und a3 der zweiten Konusfläche
32 bzw. der dritten Konusfläche 34 liegt. Hierdurch kommt
bei Anlage der Ventilnadel 5 am Ventilsitz 11 zuerst die
Dichtkante 36 am Ventilsitz 11 zur Anlage und dient somit
der Abdichtung des Ringkanals 21 gegen das Sackloch 40.
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In der Fig. 2 ist die Ventilnadel 5 in ihrer
Öffnungsstellung, d. h. sie hat ihren maximalen Öffnungshub h
durchfahren, der in der Fig. 2 durch den axialen Abstand der
Dichtkante 36 vom Ventilsitz 11 dargestellt ist. Die Ringkante 38
kommt am Ventilsitz 11 konstruktionsbedingt nicht zur
Anlage, es sei denn, dass bei längerem Gebrauch des
Kraftstoffeinspritzventils die Dichtkante 36 etwas in den Ventilsitz
11 eingehämmert wird. Die größte Flächenpressung und damit
die Abdichtung erfolgt aber an der Dichtkante 36.
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Die Zuströmung von Kraftstoff aus dem Ringkanal 21 zu den
Einspritzöffnungen 9 erfolgt zwischen der Ventildichtfläche
7 und dem Ventilsitz 11 hindurch. An der Ringkante 38 ist
zwischen dem Ringkanal 21 und den Einspritzöffnungen 9 der
engste Strömungsquerschnitt gegeben, der somit stromabwärts
des Strömungsquerschnitts zwischen Dichtkante 36 und
Ventilsitz 11 liegt. Der Öffnungswinkel a1 der ersten Konusfläche
30 und der Öffnungswinkel b des Ventilsitzes 11 sind so
aufeinander abgestimmt, dass der Strömungsquerschnitt der
Strömung zu den Einspritzöffnungen 9 von der Ringkante 38
stromabwärts bis zum Ende der Ventilnadel 5 konstant bleibt.
Hierdurch werden entscheidende Nachteile des Stands der
Technik behoben:
Wäre der Öffnungswinkel a1 der ersten Konusfläche 30
kleiner, so verengt sich der Strömungsquerschnitt von der
Ringkante 38 stromabwärts. Der zwischen der Ventildichtfläche 7und dem Ventilsitz 11 hindurchströmende Kraftstoff wird
somit beschleunigt und tritt mit sehr hoher Geschwindigkeit in
das Sackloch 40 ein. Dadurch ergibt sich zum einen ein hoher
Umlenkverlust durch die Richtungsänderung des
Kraftstoffstroms in das Spritzloch 9 hinein und zum anderen ergibt
sich der Nachteil, dass bei einer Desachsierung der
Ventilnadel 5 in der Bohrung 3, d. h. bei einer Querverschiebung
der Ventilnadel 5, die Zuströmbedingungen zu den einzelnen
Spritzlöchern 9 ungleich sind. Den einzelnen Spritzlöchern 9
wird dann unterschiedlich viel Kraftstoff mit
unterschiedlicher Geschwindigkeit zugeführt, so dass das Einspritzbild
durch die Einspritzöffnungen 9 asymmetrisch wird. Die
anschließende Verbrennung im Brennraum der Brennkraftmaschine
ist dann nicht mehr optimal, was zu einer Erhöhung des
Kraftstoffverbrauchs und zu vermehrten Schadstoffemissionen
führt.
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Ein konstanter Strömungsquerschnitt hat auch den Vorteil,
dass die Strömung des Kraftstoffs stets an den begrenzenden
Wänden entlang fließt. Wird der Strömungsquerschnitt
hingegen stromabwärts größer, so kann es zu Ablösungen der
Strömung von den Wänden kommen. Dies verursacht Wirbel in der
Strömung und damit hohe Energieverluste, so dass dem
eingespritzten Kraftstoff nicht mehr die maximale Energie zur
Verfügung steht. Dadurch wird der Kraftstoff weniger gut
zerstäubt, und die Verbrennung erfolgt unter nicht optimalen
Bedingungen.
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Ist hingegen der Öffnungswinkel a1 der ersten Konusfläche 30
größer als im hier gezeigten Kraftstoffeinspritzventil, so
erhöht sich der Strömungsquerschnitt von der Ringkante 38
stromabwärts. In einem solchen Fall kann es vorkommen, dass
der Kraftstoff nicht mehr sowohl am Ventilsitz 11 als auch
an der ersten Konusfläche 30 entlang strömt, sondern es
kommt zu einer Strömungsablösung an der Ventilnadel 5.
Direkt an der ersten Konusfläche 30 kann es dann zu
Verwirbelungen von Kraftstoff und sogar zu einem Rückfluss von
Kraftstoff entgegen der Strömungsrichtung kommen, so dass
nicht der gesamte Strömungsquerschnitt für den Zulauf des
Kraftstoff ausgenutzt wird. der Kraftstoff strömt dann mit
hoher Geschwindigkeit in das Sackloch 40, was zu den oben
bereits genannten Nachteilen führt.
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Mögliche Abmessungen des erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzventils sind wie folgt: bei einem Durchmesser der
Ventilnadel 5 an der Ringkante 38 von etwa 1,5 mm, einem
Durchmesser von etwa 2,2 mm an der Dichtkante 36 und einem
Maximalhub h von etwa 0,25 mm ergeben sich für die einzelnen
Konuswinkel etwa folgende Größen: bei einem Konuswinkel von
60° des Ventilsitzes 11 ein Öffnungswinkel a1 der ersten
Konusfläche 30 von 80° bis 85°, vorzugsweise 82° bis 83°, ein
Öffnungswinkel a2 der zweiten Konusfläche 32 von 60° bis
62°, vorzugsweise 60,5°, und ein Öffnungswinkel a3 der
dritten Konusfläche 34 von 50° bis 58°, vorzugsweise 54° bis
56°.
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Neben dem in Fig. 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispielen kann es auch vorgesehen sein, dass die Ventildichtfläche
7 nur zwei Konusflächen aufweist, wobei die Kante am
Übergang der beiden Konusflächen als Dichtkante dient.
Entsprechend ist in diesem Fall der Strömungsquerschnitt
stromabwärts dieser Dichtkante zumindest näherungsweise konstant.
Es kann auch vorgesehen sein, dass entweder der Ventilsitz
11 oder die erste Konusfläche 30 leicht von der strengen
Konusform abweicht. Der die Konusfläche 30 bildende Kegel
weist in diesem Fall im Längsschnitt eine etwas konkav oder
konvex gewölbte Seitenlinie auf.