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Stand
der Technik
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Einspritzventile bekannt,
wie sie zur Kraftstoffeinspritzung in selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet
werden. Diese Kraftstoffeinspritzventile weisen ein Ventilschließglied,
meist in Form einer Ventilnadel, auf die mit einem Ventilsitz zusammenwirkt
und so eine oder mehrere Einspritzöffnungen freigibt oder verschließt, so dass
der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung genau bestimmt werden kann. Bei
einem häufig
verwendeten Kraftstoffeinspritzventil, wie es beispielsweise aus
der Offenlegungsschrift
DE
100 24 703 A1 bekannt ist, weist die Ventilnadel eine im
wesentlichen konische Ventildichtfläche auf, die mit einem ebenso
konischen Ventilsitz zusammenwirkt. Die Einspritzöffnungen
gehen direkt vom Ventilsitz oder von einem Sackloch aus, das sich
direkt an dem Ventilsitz anschließt. Der Öffnungswinkel des konischen
Ventilsitzes beträgt
etwa 60°,
wobei der Öffnungswinkel
der konischen Dichtfläche
der Ventilnadel etwa dieselbe Größe hat.
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Damit
genügend
Kraftstoff zwischen der Dichtfläche
der Ventilnadel und dem Ventilsitz hindurch zu den Einspritzöffnungen
fließt,
um eine entsprechende Einspritzrate zu erreichen, muss die Ventilnadel
einen gewissen Mindesthub durchfahren. Dieser Hub beträgt bei dem
bekannten Einspritzventil mehr als 160 μm, da zuerst der Bereich überwunden werden
muss, in dem der Spalt zwischen der Dichtfläche und dem Ventilsitz drosselt
und der Einspritzdruck, der letztendlich an den Einspritzöffnungen
anliegt, somit gemindert ist. Ein großer Hub der Ventilnadel bedeutet
jedoch auf der anderen Seite, dass die Zeit zwischen dem Beginn
der Öffnungshubbewegung
der Ventilnadel und dem vollen Einspritzdruck relativ lang ist,
was rasch aufeinander folgende Einspritzungen mit dem vollen Einspritzdruck
erschwert.
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Offenbarung
der Erfindung
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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 rasch aufeinander folgende Einspritzungen mit einem
hohen Einspritzdruck möglich
sind. Hierzu weist der konische Ventilsitz einen Öffnungswinkel auf,
der 75° bis
100° beträgt, vorzugsweise
85° bis 95°. Dadurch
muss die Ventilnadel bis zum Erreichen des vollen Einspritzdrucks
einen geringeren Hub durchfahren, so dass der maximale Hub der Ventilnadel
auf weniger als 160 μm
beschränkt
werden kann, was zur Folge hat, dass der Druckaufbau an den Einspritzöffnungen
bei Beginn der Einspritzung sehr rasch erfolgt und somit dicht aufeinander
folgende Einspritzungen realisiert werden können.
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Durch
den Öffnungswinkel
von etwa 90° des konischen
Ventilsitzes vermindern sich auch die störenden Kräfte auf die Ventilnadel. Die
auf die Dichtfläche
der Ventilnadel wirkenden hydraulischen Kräfte weisen eine geringere desachsierende
Komponente auf, so dass die Gefahr einer Schiefstellung der Ventilnadel
gemindert wird. Bei der Schließbewegung
der Ventilnadel ist die Kraftkomponente der Schließkraft,
die parallel zum Ventilsitz wirkt, gegenüber dem bekannten Ventilsitz
gemindert, so dass die Dichtfläche
der Ventilnadel weniger auf dem Ventilsitz abgleitet, so dass sich
der Verschleiß in
diesem Bereich mindert.
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Eine
weitere Vergrößerung des Öffnungswinkels
des Ventilsitzes würde
hingegen zu keiner weiteren Verbesserung führen, sondern nachteilige Folgen
nach sich ziehen. Zwar würde
der Öffnungsquerschnitt
zwischen der Dichtfläche
und dem Ventilsitz noch rascher aufgesteuert, jedoch ergeben sich dann
statische Probleme im Ventilkörper,
die bei den hohen Kräften,
wie sie für
die schnelle Bewegung von Ventilnadel bei modernen Einspritzsystemen
notwendig sind, zu einem Bruch im Bereich des Ventilsitzes führen könnte.
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Zeichnungen
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In
der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
dargestellt. Es zeigt
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1 ein
Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt,
wobei nur der für
die Funktion wesentliche Teil gezeigt ist,
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2 eine
Vergrößerung von 1 im
Bereich des Ventilsitzes und
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3 einen
Ventilsitz mit zugehöriger
Ventilnadel, wie aus dem Stand der Technik bekannt.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt.
Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper 1 auf,
der mittels einer Spannmutter 2 unter Zwischenlage einer
Drosselscheibe 4 gegen einen Haltekörper 3 verspannt ist.
Im Ventilkörper 1 ist
ein Druckraum 5 ausgebildet, der im wesentlichen die Form
einer Bohrung aufweist und der an seinem brennraumseitigen Ende
von einem konischen Ventilsitz 11 begrenzt wird. Im Druckraum 5 ist
längsverschiebbar
eine eine Längsachse 8 aufweisende,
kolbenförmige
Ventilnadel 10 angeordnet, die in einem Führungsabschnitt 105 des
Druckraumes 5 geführt
ist. Die Ventilnadel 10 weist an ihrem ventilsitzzugewandten
Ende eine im wesentlichen konische Dichtfläche 7 auf, mit der
sie mit dem Ventilsitz 11 zusammenwirkt, so dass der Kraftstofffluss
aus dem Druckraum 5 in ein Sackloch 6, das sich
direkt an dem Ventilsitz 11 anschließt, unterbrochen oder freigegeben
werden kann. Vom Sackloch 6 gehen mehrere Einspritzöffnungen 9 aus,
die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils direkt in einen
Brennraum der Brennkraftmaschine münden.
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An
ihrem ventilsitzabgewandten Ende wird die Ventilnadel 10 in
einer Hülse 14 geführt, wobei
die Hülse 14 über eine
Schließfeder 12 und
einen Stützring 16 gegen
die Ventilnadel 10 verspannt ist. Durch die Vorspannung
der Schließfeder 12 wird
die Ventilnadel 10 mit ihrer Dichtfläche 7 gegen den Ventilsitz 11 gepresst
und die Hülse 14 andererseits
gegen die Drosselscheibe 4. Durch die Hülse 14, die ventilsitzabgewandte
Stirnseite der Ventilnadel 10 und die Drosselscheibe 4 wird
ein Steuerraum 22 begrenzt, der über eine Zulaufdrossel 24 mit
einem Zulaufkanal 18 verbunden ist, über den Kraftstoff unter hohem Druck
dem Einspritzventil zugeführt
wird. Über
den Zulaufkanal 18 und die Zulaufdrossel 24 wird
einerseits ein hoher Kraftstoffdruck im Steuerraum 22 aufrechterhalten,
andererseits wird auch der für
die Einspritzung notwendige Kraftstoff dem Druckraum 5 zugeführt. Vom
Steuerraum 22 geht eine Ablaufdrossel 26 zu einem
Steuerventil 20, über das
in die Ablaufdrossel 26 mit einem drucklosen Leckölraum verbunden
oder von diesem getrennt werden kann. Über eine in der Drosselscheibe 4 vorgesehene
Bypassdrossel 28 kann darüber hinaus Kraftstoff aus dem Druckraum 5 über das
Steuerventil 20 und die Ablaufdrossel 26 bei Bedarf
zusätzlich
in den Steuerraum 22 geleitet werden, um dort bei einem
Druckabfall rasch wieder einen hohen Kraftstoffdruck zu erhalten.
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Die
Funktionsweise des aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffeinspritzventils
ist wie folgt: Unterbricht das Steuerventil 20 die Verbindung zum
Leckölraum,
so wird der Steuerraum 22 über die Zulaufdrossel 24 und
die Bypassdrossel 28 mit Kraftstoffdruck versorgt, so dass
dort ein hoher Kraftstoffdruck herrscht, wie er auch im Druckraum 5 durch dessen
Verbindung mit dem Zulaufkanal 18 herrscht. Der hohe Kraftstoffdruck
im Steuerraum 22 ergibt eine hydraulische Kraft auf die
ventilsitzabgewandte Stirnseite der Ventilnadel 10, die
diese mit der Dichtfläche 7 gegen
den Ventilsitz 11 drückt.
Dadurch wird der Druckraum 5 hydraulisch vom Sackloch 6 getrennt,
so dass der Kraftstoff, der im Druckraum 5 anliegt, nicht
zu den Einspritzöffnungen 9 gelangt.
Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird das Steuerventil 20 betätigt, und
der Kraftstoffdruck im Steuerraum 22 sinkt durch den Abfluss
von Kraftstoff über
die Ablaufdrossel 26 ab, was wiederum die hydraulische Kraft
auf die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Ventilnadel 10 mindert.
Durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 5 wirken hydraulische
Kräfte
auf die Ventilnadel 10, die vom Ventilsitz 11 weggerichtet
sind. Sobald diese Öffnungskräfte größer sind
als die hydraulische Schließkraft
durch den Druck im Steuerraum 22 und die Kraft der Feder 12,
so hebt die Ventilnadel 10 mit ihrer Dichtfläche 7 vom
Ventilsitz 11 ab, so dass Kraftstoff aus dem Druckraum 5 in
das Sackloch 6 und von dort in die Einspritzöffnungen 9 strömt, durch
welche der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Zur Beendigung
der Einspritzung wird das Steuerventil erneut betätigt, so
dass sich die anfänglichen
Druckverhältnisse
wieder einstellen, die die Ventilnadel 10 zurück in ihre
Schließstellung
drücken.
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2 zeigt
eine Vergrößerung im
Bereich des Ventilsitzes von 1. Der Ventilsitz 11 weist eine
Konusform auf, wobei der Konus einen Öffnungswinkel a von 70° bis 100° aufweist,
vorzugsweise 85° bis
95°, wobei
sich ein Öffnungswinkel
a von 90° als
besonders vorteilhaft erwiesen hat. Die Dichtfläche 7 der Ventilnadel 10 besteht
hier aus einer einfachen Konusfläche,
die einen geringfügig größeren Öffnungswinkel
aufweist als der konische Ventilsitz 11. Hierdurch kommt
die Ventilnadel 10 bei Anlage am Ventilsitz 11 mit
einer Dichtkante 13 zur Anlage, so dass eine hohe Flächenpressung
in diesem Bereich und damit eine gute Abdichtung gegeben ist. Bei
der in 2 gezeigten Öffnungslage
hat die Ventilnadel 10 ihren maximalen Öfffnungshub h durchfahren und
ist mit ihrer ventilsitzabgewandten Stirnseite an einem Anschlag 19 angelangt,
der an der Drosselscheibe 4 ausgebildet ist. Dadurch wird der
maximale Öffnungshub
h der Ventilnadel 10 auf 100 μm bis 120 μm begrenzt, was ausreicht, um
einen Spalt genügender
Größe zwischen
der Dichtfläche 7 und
dem Ventilsitz 11 aufzusteuern.
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Der
Kraftstoff, der zwischen der Dichtfläche 7 und dem Ventilsitz 11 hindurch
zum Sackloch 6 strömt,
ergibt hydraulische Kräfte
auf die Dichtfläche 7,
die senkrecht zur Dichtfläche 7 wirken.
Zerlegt man diese Kraft FH in eine desachsierende
Komponente FD, die senkrecht zur Längsachse 8 der
Ventilnadel 10 wirkt, und eine entlang der Längsachse 8 wirkende
Komponente FL, so wird deutlich, dass diese
desachsierende Kraft, die unter Umständen zu einer Auslenkung der
Ventilnadel 10 aus ihrer mittigen Lage im Druckraum 5 wirkt,
bei gleicher hydraulischer Kraft geringer ist als bei einem Sitz,
der einen Öffnungswinkel
von 60° aufweist.
Dies ist in 3 dargestellt, wo ein aus dem
Stand der Technik bekanntes Einspritzventil mit einem konischen
Ventilsitz 11 gezeigt ist, der einen Öffnungswinkel von 60° aufweist.
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Ähnlich günstige Verhältnisse
ergeben sich bei den Schließkräften. Die
durch den Druck im Steuerraum 22 wirkende Schließkraft FS lässt
sich ebenfalls in zwei Kraftkomponenten zerlegen, hier in eine Kraft
Fi senkrecht zur Dichtfläche 7 und in eine
Kraft Fp parallel zur Dichtfläche 7.
Die parallel zur Dichtfläche 7 wirkende
Kraft Fp bewirkt nach dem Aufsetzen der
Dichtfläche 7 auf
dem Ventilsitz 11 ein leichtes Abrutschen der Dichtfläche 7 auf
dem Ventilsitz 11, was dort zu Verschleiß führt und
durch die Wahl des Öffnungswinkels
des Ventilsitzes 11 von beispielsweise 90° lässt sich
diese Kraftkomponente gegenüber
einem Ventilsitz mit einem Öffnungswinkel
von 60° deutlich
reduzieren, so dass sich der Verschleiß im Bereich des Ventilsitzes 11 vermindert.
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Wie
bereits erwähnt,
ist in 3 ein Kraftstoffeinspritzventil dargestellt, wie
es aus dem Stand der Technik bekannt ist und bei dem der Ventilsitz 11 einen Öffnungswinkel
von etwa 60° aufweist.
Da es ansonsten keine technischen Unterschiede zur erfindungsgemäßen Ausführungsform
gibt, die in der Zeichnung ersichtlich wären, trifft die technische
Beschreibung der 2 insoweit auch auf das Einspritzventil
nach 3 zu.