DE102005046665A1

DE102005046665A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102005046665A1
Application number: DE200510046665
Authority: DE
Inventors: Dieter Junger; Wolfgang Schlund; Joerg-Peter Fischer; Reiner Kaess; Heidi Arleth; Günter Kriegsmann; Olaf Ohlhafer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-05
Also published as: WO2007104366A3; WO2007104366A2

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einer Hohlnadel (7), die zum Öffnen und Schließen wenigstens einer äußeren Einspritzöffnung (8) mit einem Ventilsitz (4) zusammenwirkt. In der Hohlnadel (7) ist eine Innennadel (5) angeordnet, die ebenfalls mit dem Ventilsitz (4) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer inneren Einspritzöffnung (6) zusammenwirkt, wobei zwischen der Hohlnadel (7) und der Innennadel (5) ein Zwischenraum (15) ausgebildet ist, der über eine Öffnung (24) in der Hohlnadel (7) mit einem die Hohlnadel (7) umgebenden Druckraum (11) verbunden ist. Die Innennadel (5) ist mit einem ventilsitznahen Führungsabschnitt (14) in der Hohlnadel (7) geführt, wobei am Führungsabschnitt (14) wenigstens ein Durchlass (30; 32) ausgebildet ist, durch den Kraftstoff aus dem Zwischenraum (15) zu den inneren Einspritzöffnungen (6; 8) fließen kann. Wenigstens ein Durchlass (30; 32) ist so geformt, dass beim Durchströmen des Kraftstoffs eine tangentiale Kraft auf die Innennadel (5) ausgeübt wird (Figur 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es vorzugsweise für selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet wird.

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 015 360 ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, wie es zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine verwendet wird. Das Kraftstoffeinspritzventil weist eine Hohlnadel auf, in der eine Innennadel geführt ist, wobei beide Ventilnadeln mit einem Ventilsitz zusammenwirken und dadurch die Öffnung jeweils wenigstens einer Einspritzöffnung steuern. Durch eine Längsbewegung der Hohlnadel bzw. der Innennadel werden die jeweiligen Einspritzöffnungen freigegeben, so dass durch diese Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Die Innennadel wird hierbei in einem ventilsitzfernen und einem ventilsitznahen Abschnitt in der Hohlnadel geführt, so dass beide Ventilnadeln stets exakt zueinander fluchten. Der Zwischenraum, der zwischen der Innennadel und der Hohlnadel ausgebildet ist, ist über eine Öffnung in der Hohlnadel mit einem die Hohlnadel umgebenden Druckraum verbunden, so dass der Zwischenraum stets mit Kraftstoff geflutet ist. Um einen Kraftstofffluss durch den Zwischenraum zu ermöglichen, befinden sich am ventilsitznahen Führungsabschnitt Durchlässe in Form von Nuten oder Anschliffen, durch die ein ausreichender Kraftstoffstrom gewährleistet ist.

Sowohl die Innennadel als auch die Hohlnadel sind im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet, jedoch bleiben sie während des Betriebs des Kraftstoffeinspritzventils in einer festen Lage bezüglich des Ventilsitzes. Durch die Längsbewegung der Innennadel bzw. der Hohlnadel hämmern sich diese mit der Zeit etwas in den Ventilsitz ein, so dass es zu einer Angleichung beider Flächen kommt. Solange sich die beiden Nadeln nicht bezüglich des Ventilsitzes bewegen, ist eine gute Dichtung in der Regel gewährleistet. Kommt es jedoch zu einem sporadischen Drehen der Hohlnadel oder der Innennadel, beispielsweise durch die Ventilnadeln beaufschlagende Schraubendruckfedern, kann es im Bereich des Ventilsitzes durch das ungleichmäßige Verschleißbild am Ventilsitz bzw. den Dichtflächen der Ventilnadeln zu Undichtigkeiten kommen. Während es relativ einfach ist, die Hohlnadel durch geeignete bauliche Maßnahmen gegen Drehen zu sichern, ist dies bei der Innennadel nur mit erheblichem Aufwand möglich.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass über die gesamte Lebensdauer des Einspritzventils eine ausreichend gute Dichtung zwischen der Innennadel und dem Ventilsitz gewährleistet ist. Dies wird erreicht, indem die Durchlässe am Ventilsitz nahe dem Führungsabschnitt derart geformt sind, dass beim Durchströmen des Kraftstoffs eine Tangentialkraft auf die Innennadel ausgeübt wird, die diese bei jeder Öffnungshubbewegung ein wenig dreht. Dadurch kommt es zu einem gleichmäßigen Verschleißbild am Ventilsitz bzw. der Dichtfläche der Innennadel, so dass die Innennadel in jedem beliebigen Drehwinkel gut am Ventilsitz dichtet.

Durch die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung sollen die Durchlässe so geformt sein, dass die Kraft zumindest bei maximalem Kraftstoffdruck, wie er für die Einspritzung benutzt wird und der damit auch im Zwischenraum herrscht, eine ausreichende Tangentialkraft erzeugt, damit in die Innennadel bei der Öffnungshubbewegung, das heißt bei einer Bewegung vom Ventilsitz weg und wieder auf diesen zu, eine Drehbewegung ausführt. Hierbei beträgt der Drehwinkel weniger als 5° vorzugsweise weniger als 1° bei einer einzelnen Öffnungshubbewegung.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Durchlässe am ventilsitznahen Führungsabschnitt als Schrägnuten ausgebildet, die zur Längsachse der Innennadel geneigt sind. Beim Durchströmen der Schrägnuten ergibt sich so eine tangentiale Kraft auf die Innennadel, die bei geeigneter Dimensionierung der Schrägnut ausreicht, die Innennadel bei ihrer Öffnungshubbewegung zu drehen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Durchlass als Flächenanschliff ausgebildet, wobei ein Rand des Flächenabschnitts so geformt ist, dass beim Durchströmen des Kraftstoffs eine Tangentialkraft auf diesen Rand ausgeübt wird. In vorteilhafter Weise sind dabei mehrere Anschliffe oder auch Schrägnuten über den Umfang des ventilsitznahen Führungsabschnitts verteilt angeordnet, um ein symmetrisches Durchströmen des Kraftstoffstoffs über den gesamten Umfang der Innennadel zu gewährleisten.

Zeichnung
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Es zeigt
1 ein Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt,
2 und
3 zeigen in vergrößerter Darstellung die Innennadel im Bereich des ventilsitznahen Führungsabschnitts.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt, wobei nur der wesentliche Teil gezeigt ist. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst einen Ventilkörper 1, in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist, die an einem Ende von einem konischen Ventilsitz 4 begrenzt ist. Vom Ventilsitz 4 gehen äußere Einspritzöffnungen 8 und innere Einspritzöffnungen 6 aus, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in einen Brennraum der Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung 3 ist eine Hohlnadel 7 längsverschiebbar angeordnet, die in einem mittleren Führungsabschnitt 22 in der Bohrung 3 geführt ist, so dass diese stets exakt fluchtend zu einer Längsachse 10 der Bohrung 3 ausgerichtet ist. Die Hohlnadel 7 weist an ihrem ventilsitzseitigen Ende eine äußere Dichtfläche 28 auf, mit der diese mit dem Ventilsitz 4 so zusammenwirkt, dass bei Anlage der Hohlnadel 7 am Ventilsitz 4 die äußeren Einspritzöffnungen 8 verschlossen werden. Hebt die Hohlnadel 7 durch eine Öffnungshubbewegung von Ventilsitz 4 ab, so werden die äußeren Einspritzöffnungen 8 freigegeben, so dass Kraftstoff aus einem Druckraum 11, der zwischen der Hohlnadel 7 und der Wand der Bohrung 3 ausgebildet ist, zu den äußeren Einspritzöffnungen 8 strömen kann.
Ventilsitzabgewandt erweitert sich die Bohrung 3 zu einem Federraum 9, in dem eine die Hohlnadel 7 umgebende äußere Schließfeder 18 ausgebildet ist. Die Schließfeder 18 ist als Schraubendruckfeder ausgeführt und ist unter Druckvorspannungen zwischen einer Hülse 20 und einer äußeren Ausgleichsscheibe 19 angeordnet, die sich an der Hohlnadel 7 abstützt. Durch die äußere Schließfeder 18 wird eine in Richtung des Ventilsitzes 4 wirkende Längskraft auf die Hohlnadel 7 ausgeübt, wobei die Hülse 20 gegen den in der Zeichnung nicht dargestellten Haltekörper gepresst wird, ggf. unter Zwischenlage einer Drosselscheibe.
In der Hohlnadel 7 ist eine Innennadel 5 angeordnet, die in einem ventilsitzabgewandten Führungsabschnitt 13 und einem ventilsitznahen Führungsabschnitt 14 in der Hohlnadel 7 geführt ist. Die Innennadel 5 ist ebenfalls längsverschiebbar und weist an ihrem ventilsitznahen Ende eine innere Dichtfläche 27 auf, mit der die Innennadel 5 so mit dem Ventilsitz 4 zusammen wirkt, dass bei Anlage am Ventilsitz 4 die inneren Einspritzöffnungen 6 verschlossen werden. Zwischen der Innennadel 4 und der Hohlnadel 7 ist dabei ein Zwischenraum 15 ausgebildet, der über wenigstens eine in der Hohlnadel 7 ausgebildete Öffnung 24 mit dem Druckraum 11 verbunden ist.
Ventilsitzabgewandt geht die Innennadel 5 in ein kolbenförmiges Endstück 12 über, das im Bereich des Federraums 9 angeordnet ist. Zwischen dem kolbenförmigen Endstück 12 und dem in der Zeichnung nicht dargestellten Haltekörper ist eine innere Schließfeder 16 unter Druckvorspannung angeordnet, die sich über eine innere Ausgleichsscheibe 17 an der Innennadel 5 abstützt und dadurch eine in Richtung auf den Ventilsitz 4 wirkende Kraft auf die Innennadel 5 ausübt.
Durch die Hülse 20 und die Stirnseiten der Hohlnadel 7 und der Innennadel 5 wird ein Steuerraum 21 begrenzt, der wahlweise mit dem Kraftstoffdruck im Druckraum 11 bzw. im Federraum 9 oder mit einem Entlastungsraum verbindbar ist. Dadurch kann der Kraftstoffdruck im Steuerraum 21 variiert werden und damit die hydraulische Schließkraft, die auf die ventilsitzabgewandten Stirnseiten der Innennadel 5 und der Hohlnadel 7 wirkt. Diese hydraulische Schließkraft ist den Öffnungskräften entgegengerichtet, die durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 11 bzw. im Federraum 9 auf entsprechende Druckflächen an der Hohlnadel 7 bzw. der Innennadel 5 entstehen. Je nach dem, welche Kräfte überwiegen, bewegen sich die Hohlnadel 7 bzw. die Innennadel 5 vom Ventilsitz 4 weg bzw. in Anlage an den Ventilsitz 4 und geben entsprechend die Einspritzöffnungen 6, 8 frei. Welche der Nadeln 5, 7 zuerst öffnet, ist durch die Auslegung der entsprechenden hydraulischen Druckflächen einstellbar. Da über die Öffnung 24 auch im Zwischenraum 15 stets der gleiche Druck wie im Druckraum 11 herrscht, können die entsprechenden Druckflächen auch so ausgelegt werden, dass zuerst die Innennadel 5 öffnet und erst anschließend die Hohlnadel 7, wobei auch eine umgekehrte Reihenfolge des Öffnens denkbar ist.
Sowohl die Hohlnadel 7 als auch die Innennadel 5 werden durch die hydraulischen Kräfte, die aufgrund der hohen Einspritzdrücke von 1500 bar und mehr, mit beträchtlicher Kraft in Längsrichtung bewegt. Dadurch kommt es mit der Zeit zum Einschlagen der Dichtflächen 27, 28 in den Ventilsitz 4 und damit zu Verschleiß sowohl an den Dichtflächen 27, 28 als auch am Ventilsitz 4 selbst. Damit das Verschleißbild rotationssymmetrisch wird, so dass es nicht durch ein unabsichtliches Drehen der Innendnadel 5 zu Undichtigkeiten zwischen der inneren Dichtfläche und dem Ventilsitz 4 kommt, sind am ventilsitznahen Führungsabschnitt 14 Durchlässe in Form von Schrägnuten 30 vorgesehen. 2 zeigt hierzu eine Vergrößerung der Innennadel 5 im Bereich des ventilsitznahen Führungsabschnitts 14. Die Schrägnuten 30 weisen einen Winkel bezüglich der Längsachse 10 auf, die mit der Längsachse 10 der Innennadel 5 zusammenfällt. Der Querschnitt der Schrägnuten 30 und der Winkel a, den die Schrägnuten mit der Längsachse 10 einschließen, muss hierbei einerseits so gewählt werden, dass eine ausreichende Tangentialkraft auf die Innennadel 5 ausgeübt wird, um diese um einen kleinen Winkelbetrag bei der Öffnungshubbewegung zu drehen. Andererseits darf jedoch der Kraftstoffstrom nicht wesentlich gehemmt werden, damit es an dieser Stelle zu keiner die Einspritzung beeinflussenden Drosselung des Kraftstoffstroms kommt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Innennadel 5, bei dem die Durchlässe in Form von Anschliffen 32 ausgebildet sind. Jeder Anschliff 32 weist einen Rand 34 auf, der schaufelförmig geformt ist, so dass beim Durchströmen des Kraftstoffs eine Tangentialkraft auf den Rand 34 wirkt, die die Innennadel 5 bei der Öffnungshubbewegung dreht. Über die Tiefe des Anschliffs 32 und die Form des Randes 34 lässt sich die Tangentialkraft und auch die Drosselung des Kraftstoffstroms in diesem Bereich einstellen.
Sowohl bei Durchlässen in Form von Schrägnuten 30 als auch bei solchen in Form von Anschliffen 32 ist in der Regel vorgesehen, mehrere Durchlässe über den Umfang des ventilsitznahen Führungsabschnitts 14 vorzusehen, mindestens zwei, in der Regel drei oder vier. Dies ist wichtig, damit der Kraftstoff symmetrisch zu den inneren Einspritzöffnungen 6 strömt, von denen ebenfalls mehrere über den Umfang des Ventilkörpers 1 verteilt ausgebildet sind. Nur bei einem gleichmäßigen Zustrom des Kraftstoffs über den gesamten Umfang der Innennadel 5 ergibt sich ein symmetrisches Spritzbild, was für eine gute und schadstoffarme Verbrennung des Kraftstoffs unerlässlich ist.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einer Hohlnadel (7), die zum Öffnen und Schließen wenigstens einer äußeren Einspritzöffnung (8) mit einem Ventilsitz (4) zusammenwirkt, und mit einer in der Hohlnadel (7) angeordneten Innennadel (5), die ebenfalls mit dem Ventilsitz (4) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer inneren Einspritzöffnung (6) zusammenwirkt, wobei zwischen der Hohlnadel (7) und der Innennadel (5) ein Zwischenraum (15) ausgebildet ist, der über eine Öffnung (24) in der Hohlnadel (7) mit einem die Hohlnadel (7) umgebenden Druckraum (11) verbunden ist, und mit einem ventilsitznahen Führungsabschnitt (14) der Innennadel (5), mit der diese in der Hohlnadel (7) geführt ist und an dem wenigstens ein Durchlass (30; 32) ausgebildet ist, durch den Kraftstoff aus dem Zwischenraum (15) zu den inneren Einspritzöffnungen (6; 8) fließen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Durchlass (30; 32) so geformt ist, dass beim Durchströmen des Kraftstoffs eine tangentiale Kraft auf die Innennadel (5) ausgeübt wird.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tangentiale Kraft ausreicht, die Innennadel (5) zumindest bei maximalem Kraftstoffdruck im Zwischenraum (15) während der Öffnungshubbewegung zu drehen.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung der Innennadel (5) bei einer Öffnungshubbewegung weniger als 5°, vorzugsweise weniger als 1° beträgt.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Durchlass als Schrägnut (30) am ventilsitznahen Führungsabschnitt (14) ausgebildet ist, die zur Längsachse (10) der Innennadel (5) geneigt ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schrägnuten (30) am Führungsabschnitt ausgebildet sind.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Durchlass als Anschliff (32) ausgebildet ist, wobei dieser einen solchermaßen geformten Rand (34) aufweist, dass beim Durchströmen des Kraftstoffs eine in tangentialer Richtung der Innennadel (5) wirkende Kraft auf den Rand (34) ausgeübt wird.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innennadel (5) ein zweiter, ventilsitzabgewandter Führungsabschnitt (13) ausgebildet ist, mit dem die Innennadel (5) in der Hohlnadel (7) geführt ist, wobei die Öffnung (24) in der Hohlnadel (7) zwischen dem ventilsitznahen Führungsabschnitt (14) und dem ventilsitzabgewandten Führungsabschnitt (13) ausgebildet ist.