DE102005058316A1

DE102005058316A1 - Injektor einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005058316A1
Application number: DE200510058316
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.rer.nat. Güttler; Nicole Dr. Neumann; Andreas Dr.-Ing. Radtke; Johannes Schätzle
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2007-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Injektor für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Der Injektor umfasst ein Injektorventil (1) und ein das Injektorventil (1) über Kraftstoffdruck steuerndes Steuerventil (2). Das Steuerventil (2) weist ein Ventilgehäuse (3) mit einem konischen Ventilsitz (4) und einen Ventilstößel (5) mit einem konischen, zur Anlage an dem Ventilsitz (4) vorgesehenen Ventilkörper (6) auf. Ein Öffnungswinkel (alpha) des Ventilsitzes (4) ist größer als ein Öffnungswinkel (beta) des Ventilkörpers (6). Der Öffnungswinkel (alpha) des Ventilsitzes (4) und der Öffnungswinkel (beta) des Ventilkörpers (6) weisen eine Winkeldifferenz von kleiner oder gleich 3,5 DEG auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Injektor einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen in Form eines Ottomotors und insbesondere eines Dieselmotors wird Kraftstoff unter hohem Druck mittels eines Injektors direkt in den Brennraum eingespritzt. Hierzu umfasst der Injektor ein Injektorventil mit einer Injektornadel, die mit ihrem freien, dem Brennraum zugewandten Ende in einem konischen Injektorventilsitz dichtend anliegt. Die Injektornadel dichtet dabei die Austrittsöffnung gegen den anliegenden hohen Kraftstoffdruck ab.
Zur Erzeugung der gewünschten Dichtigkeit ist in vorbekannten Bauformen die Injektornadel mittels einer Druckfeder gegen ihren Injektorventilsitz angedrückt. Zusätzlich liegt Kraftstoffdruck in einem Druckraum an, der über einen Druckstößel die Schließkraft der Injektornadel erhöht. Mittels eines geeigneten Steuerventils kann der Kraftstoffdruck aus dem Druckraum des Druckstößels entlassen werden. Der an der Injektornadel anliegende Kraftstoffdruck hebt diese dann gegen die Vorspannkraft der Druckfeder an; Kraftstoff wird eingespritzt.

Ein derartig ausgeführter Injektor ist beispielsweise aus der US 6,405,940 B2 bekannt. Der dort gezeigte Injektor weist ein das Injektorventil über Kraftstoffdruck steuerndes Steuerventil auf. Das Steuerventil umfasst einen elektromagnetisch betätigten Ventilstößel, der in einem Ventilgehäuse axial verschiebbar geführt ist. Das Ventilgehäuse ist mit einem konischen Ventilsitz versehen. Der Ventilstößel weist einen ebenfalls konischen, zur Anlage am Ventilsitz vorgesehenen Ventilkörper auf. Eine Druckfeder des Steuerventils drückt den Ventilstößel in axialer Richtung derart, dass der konische Ventilkörper vom ebenfalls konischen Ventilsitz abgehoben ist und einen kraftstoffgefüllten Steuerkanal freigibt. Ein Elektromagnet zieht im stromdurchflossenen Zustand den Ventilstößel über eine daran befestigte Ankerplatte gegen die Vorspannkraft der Druckfeder an, bis der konische Ventilkörper dichtend am konischen Ventilsitz anliegt.

Der hohe anliegende Kraftstoffdruck stellt hohe Anforderungen an die Dichtigkeit des Steuerventils im Bereich des Dichtsitzes. Diese wird über entsprechende Flächenpressungen in Verbindung mit geringen Fertigungstoleranzen erreicht.

Aus der US 5,396,926 ist ein vergleichbares Steuerventil zur Handhabung entsprechend hoher Drücke bekannt. Zur Erzielung der gewünschten Dichtigkeit wird ein Öffnungswinkel des konischen Ventilsitzes vorgeschlagen, der größer ist als ein Öffnungswinkel des konischen Ventilkörpers. Im geschlossenen Zustand liegt der Ventilkörper entlang einer kreisförmigen, umlaufenden Berührlinie am konischen Ventilsitz an. Bei verringerten erforderlichen Fertigungstoleranzen führt die Linienform der Berührung zu einer hohen lokalen Flächenpressung mit einer entsprechenden Dichtigkeit.

Im praktischen Betrieb hat sich jedoch gezeigt, dass Dauerfestigkeitsprobleme im Berührbereich zwischen Ventilkörper und Ventilsitz auftreten können. Es wurden plastische Materialverformungen beobachtet, die die Dichtigkeit und Funktionstüchtigkeit der Ventilanordnung beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor einer Brennkraftmaschine anzugeben, dessen Lebensdauer ohne Beeinträchtigung des Kraftstoffflusses erhöht ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Es wird ein Injektor für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Dieselmotor eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, bei dessen Steuerventil der Öffnungswinkel des Ventilsitzes und der Öffnungswinkel des Ventilkörpers eine Winkeldifferenz von < oder = 3,5° aufweisen. Insbesondere liegt die Winkeldifferenz zwischen dem Öffnungswinkel des Ventilsitzes und dem Öffnungswinkel des Ventilkörpers in einem Bereich von einschließlich 1° und einschließlich 2°. Der Öffnungswinkel des Ventilsitzes liegt bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 90° bis einschließlich 120°, bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 105° bis einschließlich 120° und beträgt insbesondere etwa 120°. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass sich in den genannten Winkelbereichen unter Beibehaltung der linienförmigen, dichtenden Anlage zwischen Ventilkörper und Ventilsitz eine erhöhte Dauerfestigkeit des Steuerventils einstellt, ohne dass Abstriche in der hydraulischen Leistung, also im Hinblick auf Durchflussmenge und Druckübertragung des Kraftstoffes hingenommen werden müssen. Zur Stützung der Dauerfestigkeit beträgt eine Differenz zwischen dem Außendurchmesser des Ventilkörpers und einem Innendurchmesser des Ventilsitzes bevorzugt mindestens etwa 75 μm.

In bevorzugter Weiterbildung wird eine Kombination der vorgenannten geometrischen Angaben mit bestimmten Werkstoffen gewählt. Für den Ventilsitz hat sich ein gehärteter Stahl insbesondere aus En39B oder 18CrNi8 als vorteilhaft herausgestellt. Der Ventilkörper ist zweckmäßig aus gehärtetem Stahl, insbesondere aus SAE 8620, 100Cr6 oder M2 gefertigt. Die vorgenannten Stähle sind vorteilhaft LPC-gehärtet, carbonitriert oder vergütet. Vorteilhafte Materialpaarungen bestehen aus carbonitriertem SAE 8620 für den Ventilkörper in Verbindung mit LPC-gehärtetem oder carbonitrierten En39B für den Ventilsitz. Eine weitere Steigerung der Dauerfestigkeit des Ventilsitzes lässt sich mit einer Materialpaarung erzielen, bei der der Ventilkörper aus vergütetem 100Cr6 oder M2 besteht, während der Ventilsitz aus carboniertem En39B oder LPC-gehärteten 18CrNi8 gefertigt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Längsschnittdarstellung durch einen erfindungsgemäß ausgeführten Injektor mit einem Injektorventil und einem das Injektorventil über Kraftstoffdruck steuernden Steuerventil;
2 eine vergrößerte Detailansicht des Injektors nach 1 im Bereich seines Steuerventils;
3 eine schematische Schnittdarstellung des Steuerventils nach 2 mit einer Stellung seines Ventilstößels, bei der der Ventilkörper vom Ventilsitz abgehoben ist;
4 eine schematische Ausschnittsdarstellung der Anordnung nach 2 mit dem geöffneten Steuerventil nach 3 und einer sich daraus ergebenden Führung des Kraftstoffflusses;
5 eine Darstellung der Anordnung nach 4 mit einer um die Hochachse gedrehten Schnittführung zur Darstellung der Druckübertragung vom Steuerventil auf den Druckstößel des Injektorventils;
6 eine weitere Darstellung der Anordnung nach den 4 und 5 in einem nochmals um die Hochachse gedrehten Längsschnitt zur Darstellung eines druckfreien Entlastungskanals;
7 die Anordnung nach 3 mit angehobenem Ventilstößel und am konischen Dichtsitz anliegenden Ventilkörper;
8 die Anordnung nach 4 mit dem Steuerventil in der Position nach 7 und Einzelheiten des sich daraus ergebenden Kraftstoffflusses;
9 die Anordnung nach 5 bei geschlossenem Steuerventil mit Einzelheiten zur Rückströmung des Kraftstoffes aus dem Druckraum oberhalb des Druckstößels;
10 die Anordnung nach 6 mit geöffnetem Steuerventil und der sich daraus ergebenden Rückströmung des Kraftstoffes aus dem Entlastungskanal;
11 eine schematische Schnittdarstellung des Injektorventils im Bereich seines konischen Dichtsitzes und seines konischen Ventilkörpers mit Einzelheiten zur geometrischen Ausbildung;
12 eine Variante der Anordnung der 11 mit jeweils vergrößerten Öffnungswinkeln des Ventilsitzes und des Ventilkörpers.
1 zeigt in einer Längsschnittdarstellung ein Injektorventil für einen Dieselmotor eines Kraftfahrzeuges. Der Injektor ist zum Einspritzen von Dieselkraftstoff in einen Brennraum des Dieselmotors bzw. der Brennkraftmaschine vorgesehen. Eine vergleichbare Ausführung kann auch zum Direkteinspritzen von Benzin vorgesehen sein. Der gezeigte Injektor umfasst ein Injektorventil 1 und ein das Injektorventil 1 über Kraftstoffdruck steuerndes Steuerventil 2.
Das Injektorventil 1 umfasst eine Injektornadel 14, die in einem Gehäuse von einem umlaufenden Ringraum 15 umgeben ist. Der Ringraum 15 erstreckt sich in Längsrichtung der Injektornadel 14 ausgehend von einer Mündung eines Kraftstoffkanals 13 bis hin zu einem Injektorventilsitz 35. Im Ruhezustand liegt ein konisch ausgebildetes freies Ende der Injektornadel 14 in dem ebenfalls konisch ausgebildeten Injektorventilsitz 35 an und dichtet den Ringraum 15 gegenüber einer nicht dargestellten Injektoröffnung am unteren Ende des Injektors ab.
Im montierten Zustand ist der gezeigte Injektor in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingeschraubt und mittels eines umlaufenden Dichtringes 16 abgedichtet. Unterhalb des Dichtringes 16 ist ein Grundkörper 7 des Injektors mit einer Zuflussöffnung 12 versehen, in die Kraftstoff in Richtung eines Pfeils 11 unter hohem Druck einströmt. Von der Zuflussöffnung 12 verläuft der Kraftstoffkanal 13 bis zum Ringraum 15. Der an der Zuflussöffnung 12 dauerhaft anliegende hohe Kraftstoffdruck setzt sich über den Kraftstoffkanal 13 und den Ringraum 15 bis hin zum Injektorventilsitz 35 fort.
Um die Injektornadel 14 im Ruhezustand in der gezeigten geschlossenen Position zu halten, ist oberhalb der Injektornadel 14 ein Druckstößel 31 angeordnet, der in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist. Eine Druckfeder 33 drückt mit Vorspannung den Druckstößel 31 in Richtung eines Pfeils 34 und wirkt dabei in gleicher Richtung derart auf die Injektornadel 14, dass ihr unteres konisches Ende gegen den konischen Injektorventilsitz 35 dichtend angepresst wird. Ein oberes Ende des Druckstößels 31 ist dichtend derart in einem Innengehäuse 28 längsverschiebbar geführt, dass an seinem der Injektornadel 14 gegenüberliegenden Ende ein Druckraum 32 ausgebildet ist. Der Druckraum 32 ist in weiter unten näher beschriebener Weise mit Kraftstoff gefüllt und steht im Ruhezustand unter Kraftstoffhochdruck. Der Kraftstoffhochdruck wirkt unterstützend zur Druckfeder 33 auf den Druckstößel 31 in Richtung des Pfeils 34, wodurch die Schließkraft an der Injektornadel 14 erhöht wird.
Der Injektor ist mit einem Steuerventil 2 versehen, welches über einen vom Kraftstoffkanal 13 abzweigenden Zulaufkanal 36 mit Kraftstoff versorgt wird. Das Steuerventil 2 steuert in weiter unten näher beschriebener Weise Zufluss, Abfluss und Druck des Kraftstoffes im Druckraum 32. Ein Ventilstößel 5 des Steuerventils 2 ist mit einer ringförmigen Ankerplatte 9 verbunden, die im Wirkbereich einer bedarfsweise mit Strom beaufschlagbarer Spule 8 steht. Im stromdurchflossenen Zustand der Spule 8 zieht diese die Ankerplatte 9 an, wodurch der Ventilstößel 5 des Steuerventils 2 betätigt wird und wodurch bedarfsweise der Kraftstoffdruck im Druckraum 32 des Druckstößels 31 entlassen werden kann.
Die Injektornadel 14 und das sie umgebende Gehäuse sind geometrisch derart aufeinander abgestimmt, dass der im Ringraum 15 bis hin zum Injektorventilsitz 35 dauerhaft anliegende Kraftstoffdruck eine resultierende Kraft auf die Injektornadel 14 ausübt, die entgegen dem Pfeil 34 wirkt. Die Summe der Kräfte des unter Druck stehenden Druckraumes 32 und der Druckfeder 33 weist einen größeren Betrag auf als die entgegengesetzt wirkende resultierende Kraft des Kraftstoffdruckes an der Injektornadel 14, wodurch diese am Injektorventilsitz 35 geschlossen gehalten wird. Sofern jedoch der Kraftstoffdruck aus dem Druckraum 32 entlassen wird, überwindet die resultierende Druckkraft des Kraftstoffes an der Injektornadel 14 die entgegengesetzt wirkende Druckkraft der Druckfeder 33, wodurch die Injektornadel 14 vom Injektorventilsitz 35 abgehoben wird. In dieser Position wird Kraftstoff in Richtung des Pfeils 11 durch den Kraftstoffkanal 13 und den Ringraum 15 hindurch am Injektorventilsitz 35 vorbei in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Injektors nach 1 im Bereich des Steuerventils 2. Im Grundkörper 7 des Injektors ist eine Federkammer 25 mit einer darin achsparallel zum Injektor angeordneten Druckfeder 17 vorgesehen, die unter Vorspannung in Richtung eines Pfeils 18 auf den Ventilstößel 5 wirkt. In dem hier gezeigten Ruhezustand wird der Ventilstößel 5 durch die Vorspannkraft der Druckfeder 17 in Richtung des Pfeils 18 mit einer der Druckfeder 17 gegenüberliegenden stirnseitigen Ventilfläche 24 gegen eine ebene Oberseite des Innengehäuses 28 gepresst. Ein unterhalb der stirnseitigen Ventilfläche 24 mündender Entlastungskanal 23 wird durch die dichtend an der Oberseite des Innengehäuses 28 anliegenden Ventilfläche 24 strömungs- und druckdicht verschlossen.
Der Ventilstößel 5 des Steuerventils 2 ist in einem Ventilgehäuse 3 in axialer Richtung verschiebbar geführt.
Dabei ist der Ventilstößel 5 von insgesamt zwei in axialer Richtung gegeneinander versetzten Ringräumen 20, 21 umgriffen. Der vom Kraftstoffkanal 13 abzweigende Zulaufkanal 36 mündet in den oberen Ringraum 20. Abhängig von der axialen Stellung des Ventilstößels 5 besteht zwischen dem oberen Ringraum 20 und dem unteren Ringraum 21 eine druck- und strömungsübertragende Verbindung.
Zu deren Unterbrechung ist im Ventilgehäuse 3 ein konischer Ventilsitz 4 eingearbeitet. Der Ventilstößel 5 weist in diesem Bereich einen ebenfalls konischen Ventilkörper 6 auf, der bei einer Bewegung des Ventilstößels 5 entgegen der Richtung des Pfeils 18 zur dichtenden Anlage an den Ventilsitz 4 kommt. Hierbei ist dann die druck- und strömungsleitende Verbindung zwischen dem oberen Ringraum 20 und dem unteren Ringraum 21 unterbunden. Unabhängig von der Stellung des Ventilstößels 5 liegt aber dauerhaft Kraftstoffhochdruck des in Richtung des Pfeils 11 durch die Zuflussöffnung 12 einströmenden und mittels des Zulaufkanals 36 abgezweigten Kraftstoffes im oberen Ringraum 20 an. Darüber hinaus ist auch die Federkammer 25 dauerhaft mit Kraftstoff gefüllt.
Zur Betätigung des Ventilstößels 5 ist eine elektromagnetische Spule 8 vorgesehen, die ringförmig um die Federkammer 25 herumläuft. Am Ventilstößel 5 ist eine tellerförmige Ankerplatte 9 befestigt, die unter Bildung eines geringen Luftspaltes 19 an der unteren Stirnseite der Spule 8 angeordnet ist. Die gewählte Bezeichnung des Luftspaltes 19 ist hier im elektromagnetischen Sinn zu verstehen, wonach die Ankerplatte 9 im gezeigten Ruhezustand nicht direkt an der Spule 8 anliegt. Im Betrieb ist der Luftspalt 19 ebenso wie die Federkammer 25 mit Kraftstoff gefüllt.
Zur Betätigung des Steuerventils 2 wird die Spule 8 mit elektrischem Strom beaufschlagt. Das dabei entstehende elektromagnetische Feld zieht die Ankerplatte 9 mit dem daran befestigten Ventilstößel 5 entgegen der Druckkraft der Druckfeder 17 und damit entgegen der durch den Pfeil 18 vorgegebenen Richtung an, bis der Luftspalt 19 unter Verdrängung des zwischenliegenden Kraftstoffes geschlossen ist.
Der Ventilstößel 5 wird über einen sehr kleinen, grafisch hier nicht darstellbaren Stellweg entgegen dem Pfeil 18 derart angehoben, dass sich der konische Ventilkörper 6 dichtend an den ebenfalls konischen Ventilsitz 4 anlegt. Die Druck- und strömungsleitende Verbindung zwischen dem oberen Ringraum 20 und dem unteren Ringraum 21 ist hierbei unterbrochen.
Gleichzeitig wird die stirnseitige Ventilfläche 24 von der Oberseite des Innengehäuses 28 abgehoben. Seitlich in diesem Bereich ist der Ventilstößel 5 mit zwei diametral gegenüberliegenden Abflachungen 22 versehen, wodurch bei abgehobener Ventilfläche 24 eine druck- und strömungsübertragende Verbindung zwischen dem Entlastungskanal 23 und dem unteren Ringraum 21 hergestellt ist. Der Entlastungskanal 23 steht in druck- und strömungsübertragender Verbindung zu einem Ringraum 26, der um das Ventilgehäuse 3 und das Innengehäuse 28 umläuft, und der in radialer Richtung nach außen durch ein rohrartiges Außengehäuse 27 begrenzt ist. In axialer Richtung ist der Ringraum 26 an der Schnittstelle zwischen dem Ventilgehäuse 3 und dem Grundkörper 7 begrenzt. Darüber hinaus ist das Außengehäuse 27 mit einer Rückströmöffnung 29 versehen, durch die Kraftstoff aus dem Ringraum 26 heraus in Richtung eines Pfeils 30 ausströmen kann.
Im montierten Zustand des Injektors mündet die Rückströmöffnung 29 in einem äußeren, den Injektor umschließenden Ringraum 50, der hydraulisch mit einem Niederdruckbereich 46 des Kraftstoffsystems der Brennkraftmaschine verbunden ist. Ein weiterer äußerer Ringraum 49 ist mit einem Hochdruckbereich 45 des Kraftstoffsystems der Brennkraftmaschine hydraulisch verbunden. Wie durch eine gestrichelte Trennlinie 44 angedeutet, sind der Ringraum 50 mit dem Niederdruckbereich 46 von dem Ringraum 49 mit dem Hochdruckbereich 45 hydraulisch getrennt. Die Zuflussöffnung 12 ist dauerhaft vom Hochdruckbereich 45 mit Kraftstoff unter hohem Druck versorgt. Unabhängig davon, jedoch abhängig von der Stellung des Steuerventils 2 kann Kraftstoff aus dem Entlastungskanal 23 durch den Ringraum 26 und die Rückströmöffnung 29 heraus in Richtung des Pfeils 30 in den Ringraum 50 und damit in den Niederdruckbereich 46 austreten.
Weitere Einzelheiten der Steuerung des Injektorventils 1 (1) mittels des Steuerventils 2 ergeben sich aus den Phasendarstellungen nach den 3 bis 10. 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Steuerventils 2 nach den 1 und 2 im Ruhezustand, demnach der Ventilstößel 5 in Richtung des Pfeils 18 nach unten gedrückt ist. Seine stirnseitige Ventilfläche 24 liegt dichtend auf und verschließt den Entlastungskanal 23. Ein zylindrischer Abschnitt 39 des Ventilstößels 5 ist umfangsseitig von einer zylindrischen Bohrung 40 im Ventilgehäuse 3 dichtend umschlossen und dichtet die seitlichen Abflachungen 22 im unteren Bereich des Ventilstößels 5 gegen den unteren Ringraum 21 ab.
Der Ventilstößel 5 ist im Bereich des oberen Ringraums 20 derart mit einer umlaufenden Ringnut versehen, dass an ihrem unteren Ende ein konischer Ventilkörper 6 ausgebildet ist. Der konische Ventilkörper 6 liegt im unteren Ringraum 21 mit Abstand zu einem konischen Ventilsitz 4 des Ventilgehäuses 3. In der gezeigten Position des Ventilstößels 5 ist eine druck- und strömungsleitende Verbindung zwischen dem oberen Ringraum 20 und dem unteren Ringraum 21 derart hergestellt, dass Kraftstoff durch den Zulaufkanal 36 entlang eines Pfeils 37 in den oberen Ringraum 20 einströmen kann. Strömung und Druck setzen sich vom oberen Ringraum 20 aus zwischen dem Ventilkörper 6 und dem Ventilsitz 4 hindurch über den unteren Ringraum 21 entlang eines Pfeils 37 aus einem Druckkanal 38 heraus fort.
4 zeigt eine Detailansicht der Anordnung nach 2 im Bereich des Steuerventils 2, dessen Ventilstößel 5 in der Position nach 3 steht. Demnach überträgt sich der Hochdruck des Kraftstoffes entlang von Pfeilen 11 durch den Kraftstoffkanal 13 und auch entlang des Pfeils 37 durch den vom Kraftstoffkanal 13 abzweigenden Zulaufkanal 36 in den Ringraum 20 hinein. Gleichzeitig liegt die untere Ventilfläche 24 des Stößels 5 in Richtung des Pfeils 18 auf der Oberseite des Innengehäuses 28 dichtend an.
5 zeigt die Anordnung nach 4 in einem um die Längsachse gedrehten Schnitt. In dieser gegenüber der Darstellung nach 4 gedrehten Schnittdarstellung ist der Druckkanal 38 zu erkennen, der vom unteren Ringraum 21 zu dem oberhalb des Druckstößels 31 angeordneten Druckraum 32 führt. Bei der in 3 gezeigten Stellung des Stößels 5 strömt Kraftstoff unter hohem Druck zunächst entsprechend der Darstellung nach 4 in den oberen Ringraum 20 und von dort aus in den unteren Ringraum 21 (3). Nach 5 strömt der Kraftstoff weiter aus dem unteren Ringraum 21 entlang von Pfeilen 37 durch den Druckkanal 38 in den Druckraum 32, demnach der Druckstößel 31 entsprechend der Darstellung nach 1 in Richtung des Pfeils 34 nach unten gedrückt wird; das Injektorventil 1 ist geschlossen.
Nachdem der Druckraum 32 mit Kraftstoff gefüllt und der Druckstößel 31 in seine untere, geschlossene Position ausgelenkt ist, findet zunächst keine weitere Kraftstoffströmung in Richtung der Pfeile 37 (3 bis 5) statt. Der hohe, dem Einspritzdruck entsprechende Kraftstoffdruck pflanzt sich jedoch in Richtung der Pfeile 37 fort und übt dauerhaft eine axiale Druckkraft auf den Druckstößel 31 aus.
6 zeigt eine Schnittdarstellung der Anordnung nach den 4 und 5, wobei die Schnittführung gegenüber den beiden vorgenannten Darstellungen derart gedreht ist, dass der Entlastungskanal 22 im Längsschnitt gezeigt ist. Es ist zu erkennen, dass der Entlastungskanal 23 quer durch das Innengehäuse 28 verläuft und beidseitig in den Ringraum 26 mündet. Unter Verweis auf 2 und die zugehörige Beschreibung liegt im Ringraum 26 und auch im Entlastungskanal 23 Niederdruck des Kraftstoffes an, der durch die dichtend anliegende Ventilfläche 24 vom Hochdruck in den Ringräumen 20, 21 des Steuerventils 2 getrennt ist. Bei der zuvor beschriebenen Druck- und Strömungsverteilung des Kraftstoffes mittels des Steuerventils 2 ist das Injektorventil 1 nach 1 geschlossen.
Um eine Einspritzung von Kraftstoff herbeizuführen, wird Strom durch die Spule 8 (2) geleitet, in dessen Folge der Ventilstößel 5 unter Einwirkung der Ankerplatte 9 entgegen dem Pfeil 18 angezogen wird. Das Steuerventil 2 nimmt die Stellung entsprechend der schematischen Darstellung nach 7 ein. Hierbei ist die stirnseitige Ventilfläche 24 angehoben. Gleichzeitig ist der zylindrische Abschnitt 39 aus der Bohrung 40 so weit herausgezogen, dass die beiden gegenüberliegenden seitlichen Abflachungen 22 am unteren Ende des Ventilstößels 5 eine druck- und strömungsleitende Verbindung des Entlastungskanals 23 mit dem unteren Ringraum 21 herstellen.
Gleichzeitig liegt der Ventilkörper 6 dichtend am konischen Ventilsitz 4 an, wodurch eine strömungs- und druckleitende Verbindung zwischen dem oberen Ringraum 20 und dem unteren Ringraum 21 unterbunden ist. Der unter hohem Druck in Richtung des Pfeils 37 durch den Zulaufkanal 36 in den oberen Ringraum 20 geführte Kraftstoffdruck kann sich nicht in den unteren Ringraum 21 fortpflanzen. Vielmehr strömt Kraftstoff durch den Druckkanal 38 in den unteren Ringraum 21 und von dort an den Abflachungen 22 und der unteren Ventilfläche 24 vorbei in Richtung eines Pfeils 41 aus dem Entlastungskanal 23 heraus. Im Druckkanal 38, im unteren Ringraum 21 und im Entlastungskanal 23 stellt sich Niederdruck ein.
8 zeigt die Anordnung nach 4 mit dem Ventilstößel 5 des Steuerventils 2 in der Position nach 7. Kraftstoff wird weiterhin unter Hochdruck entlang von Pfeilen 11 durch den Kraftstoffkanal 13 zum Injektorventil 1 (1) geleitet, wobei sich der Hochdruck des Kraftstoffes entlang eines Pfeils 37 durch den Zulaufkanal 36 in den oberen Ringraum 20 fortpflanzt. Der untere Ringraum 21 ist jedoch von diesem hohen Kraftstoffdruck nicht beaufschlagt.
9 zeigt die Anordnung nach 5 mit der Stellung des Ventilstößels 5 vom Steuerventil 2 nach 7. Der entsprechend der Darstellung nach 5 zuvor in den Druckraum 32 eingeleitete Kraftstoffhochdruck wird nun entlang von Pfeilen 42 durch den Druckkanal 38 hindurch in den unteren Ringraum 21 entlassen. Der Druckstößel 31 hebt sich zusammen mit der darunter liegenden Injektornadel 14 entsprechend der Darstellung nach 1 entgegen der Richtung des Pfeils 34 an, wodurch der Kraftstoff aus dem Druckraum 32 entlang der Pfeile 42 herausgedrückt wird. Das Injektorventil 1 (1) öffnet sich.
10 zeigt die Anordnung nach 6 mit dem Ventilstößel 5 in der Position nach 7. Ausgehend von der Darstellung nach 9 wird in Verbindung mit der Darstellung nach 7 der Kraftstoff aus dem unteren Ringraum 21 durch den Entlastungskanal 23 in Richtung von Pfeilen 43 in den Ringraum 26 entlassen. von dort aus entweicht der überschüssige Kraftstoff entsprechend der Darstellung nach 2 entlang des Pfeils 30 aus der Rückströmöffnung 29 in den Ringraum 50 und damit in den Niederdruckbereich 46 (2).
Sobald die Stromzufuhr in der Spule 8 (2) wieder unterbrochen wird, drückt die dort gezeigte Druckfeder 17 den Ventilstößel 5 wieder in die Position nach 3, wodurch entsprechend der Darstellung nach den 4 bis 6 Kraftstoff wider unter hohem Druck in den Druckraum 32 geleitet wird. Der sich dort aufbauende Hochdruck verschließt entsprechend der Darstellung nach 1 das Injektorventil 1; die Einspritzung des Kraftstoffes ist beendet.
11 zeigt eine schematische, nicht maßstäbliche Schnittdarstellung des Steuerventils 2 vom zuvor beschriebenen Injektor im Bereich des konischen Ventilkörpers 6 und des konischen Ventilsitzes 4 im geöffneten Zustand.
Unter gleichzeitigem Bezug auf 3 strömt Kraftstoff unter Hochdruck entlang von Pfeilen 37 durch einen zwischen dem Ventilkörper 6 und dem Ventilsitz 4 gebildeten Ringraum hindurch.
Für die Ausbildung einer möglichst verlustfreien Strömung und einer guten Druckübertragung ist eine geometrische Abstimmung des Ventilsitzes 4 und des Ventilkörpers 6 aufeinander in erfindungsgemäßer Weise vorgesehen. Hierzu weist der Ventilsitz 4 einen konischen Öffnungswinkel α von 90° auf, während der konische Ventilkörper 6 einen Öffnungswinkel β von 86,5° oder größer aufweist. Demnach beträgt eine Winkeldifferenz zwischen dem Öffnungswinkel α und dem Öffnungswinkel β 3,5° oder kleiner. Ein Innendurchmesser d des Ventilsitzes 4 beträgt 3 mm, während ein Außendurchmesser des konischen Bereichs vom Ventilkörper 6 3,075 mm beträgt. Die Differenz zwischen dem Außendurchmesser D des Ventilkörpers 6 und dem Innendurchmesser d des Ventilsitzes 4 beträgt demnach mindestens etwa 75 μm. Ein Innendurchmesser des konischen Bereichs vom Ventilkörper 6 ist kleiner als der Innendurchmesser d des Ventilsitzes 4. Demnach liegt eine innere umlaufende Kante 47 des Ventilsitzes 4 am Ventilkörper 6 linienförmig an, wenn der Ventilstößel 5 entgegen dem Pfeil 18 durch Betätigung der Spule 8 (2) angehoben wird. Die dichtende, linienförmige Anlage bewirkt eine Unterbrechung des Kraftstoffflusses und der Druckübertragung von Kraftstoff in Richtung der Pfeile 37.
Das einteilig mit dem Ventilsitz ausgebildete Ventilgehäuse 3 ist aus gehärtetem Stahl gefertigt. Als bevorzugte Stahlsorten sind En39B oder 18CrNi8 gewählt, die entweder LPC-gehärtet oder carbonitriert sind. Im Bereich des Ventilsitzes 4 und insbesondere der Kante 47 kann noch auf der dem Ventilkörper 6 zugewandten Oberfläche eine gehärtete Beschichtung insbesondere aus C2 oder TIN vorgesehen sein. Die Beschichtung kann alternativ oder zusätzlich zur Härtung des Materials vom Ventilsitz 4 vorgesehen sein.
Der Ventilstößel 5 ist einteilig mit dem konischen Ventilkörper 6 aus Stahl ausgeführt und besteht bevorzugt aus SAE 8620, 100Cr6 oder M2. Bei einer Ausführung in SAE 8620 ist der Ventilstößel 5 zumindest im Bereich des Ventilkörpers 6 und insbesondere insgesamt carbonitriert. Bei einer Ausführung in M2 ist eine Carbonitrierung oder eine Vergütung vorteilhaft. Sofern als Material 100Cr6 gewählt wird, ist bevorzugt eine Vergütung vorgesehen. Auch hier kann alternativ oder zusätzlich eine Oberflächenbeschichtung zumindest im Bereich des Ventilkörpers 6 aus C2 oder TIN vorteilhaft sein.
Geeignete, bevorzugte Materialpaarungen sind carbonitriertes SAE 8620 des Ventilstößels 5 mit LPC-gehärtetem 18CrNi8 bzw. LPC-gehärtetem oder carbonitriertem En39B des Ventilsitzes 4.
Aus der Kombination der vorgenannten geometrischen Parameter mit der Materialauswahl und den vorgeschlagenen Materialbehandlungen ergibt sich einerseits eine hohe Dauerfestigkeit des Steuerventils 2 im Bereich des Ventilsitzes 4 und des Ventilkörpers 6, die trotz des hohen anliegenden Kraftstoffdruckes und der hohen Flächenpressung im Bereich der Kante 47 dauerhaft aufrecht erhalten werden kann. Andererseits ergibt sich eine gute Strömungs- und Druckübertragung im geöffneten Steuerventil 2 entlang der Pfeile 37 unter Vermeidung von hydraulischen Verlusten.
12 zeigt eine Variante der Anordnung nach 11 mit dem gegenüber vergrößertem Öffnungswinkel α des Ventilsitzes 4. Der Öffnungswinkel α liegt bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 105° bis einschließlich 120° und beträgt in der nicht maßstäblichen Skizze etwa 120°. Die Winkeldifferenz zwischen dem Öffnungswinkel α des Ventilsitzes 4 und dem Öffnungswinkel β des Ventilkörpers 6 liegt bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 1° und einschließlich 2°, demnach der Öffnungswinkel β des Ventilkörpers 6 im gezeigten Ausführungsbeispiel im Bereich von einschließlich 118° bis einschließlich 119° beträgt. Gegenüber der Anordnung nach 11 ist eine weitere Steigerung der Dauerfestigkeit des Steuerventils 2 im Bereich des Ventilsitzes 4 und des Ventilkörpers 6 zu beobachten, ohne dass Nachteile in der hydraulischen Leistung zu beobachten sind. In den übrigen Merkmalen und Bezugszeichen stimmt die Anordnung nach 1 mit der nach 11 überein.

Claims

Injektor einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine, umfassend ein Injektorventil (1) und ein das Injektorventil (1) über Kraftstoffdruck steuerndes Steuerventil (2), wobei das Steuerventil (2) ein Ventilgehäuse (3) mit einem konischen Ventilsitz (4) und einen Ventilstößel (5) mit einem konischen, zur Anlage an dem Ventilsitz (4) vorgesehenen Ventilkörper (6) aufweist, wobei ein Öffnungswinkel (α) des Ventilsitzes (4) größer als ein Öffnungswinkel (β) des Ventilkörpers (6) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (α) des Ventilsitzes (4) und der Öffnungswinkel (β) des Ventilkörpers (6) eine Winkeldifferenz von kleiner oder gleich 3,5° aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkeldifferenz zwischen dem Öffnungswinkel (α) des Ventilsitzes (4) und dem Öffnungswinkel (β) des Ventilkörpers (6) in einem Bereich von einschließlich 1° und einschließlich 2° liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (α) des Ventilsitzes (4) in einem Bereich von einschließlich 90° bis einschließlich 120°, bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 105° bis einschließlich 120° liegt und insbesondere etwa 120° beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz zwischen einem Außendurchmesser (D) des Ventilkörpers (6) und einem Innendurchmesser (d) des Ventilsitzes (4) mindestens etwa 75 μm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (4) aus gehärtetem Stahl, insbesondere aus En39B oder 18CrNi8 gefertigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (6) aus gehärtetem Stahl, insbesondere aus SAE 8620, 100Cr6 oder M2 gefertigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl LPC-gehärtet, carbonitriert oder vergütet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (4) und/oder der Ventilkörper (6) mit einer gehärteten Beschichtung insbesondere aus C2 oder TIN versehen ist.