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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
mit einem Ventilkörper, in dem eine Bohrung ausgearbeitet
ist, die an einem Ende von einem Ventilsitz begrenzt ist, von dem zumindest
ein Einspritzkanal abgeht, und mit einer Ventilnadel, die in der
Bohrung längsverschiebbar angeordnet ist und die an ihren
dem Ventilsitz zugewandten Ende eine Ventilsitzfläche aufweist,
mit der sie zum Öffnen und Schließen des wenigstens
einen Einspritzkanals mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und mit einem
zwischen der Ventilnadel und der Wand der Bohrung ausgebildeten
Druckraum, der mit Kraftstoff unter Druck befüllbar ist,
wobei zwischen dem Ventilkörper und der Ventilnadel eine
Drossel angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Ein
derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist aus der
WO 2004/057180 A1 bekannt.
Dieses Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper
auf, in dem eine Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet
ist. Die Ventilnadel weist einen Führungsabschnitt auf,
der in dem Ventilkörper gelagert ist. An den Führungsabschnitt
schließt eine Druckschulter an, die eine mit Kraftstoff
gefüllte Bohrung begrenzt. Die Bohrung wird von einem Nadelkörper
der Ventilnadel durchdrungen, wobei der Nadelkörper endseitig
eine Ventilsitzfläche aufweist. In diese Ventilsitzfläche
ist eine Druckfläche eingearbeitet, die bei Anlage der
Ventilnadel auf den Ventilsitz über eine Drossel mit dem Druckraum
verbunden ist. Durch diese Ausgestaltung sollen Schwankungen des
Einspritzzeitpunktes verhindert werden, die durch Druckschwingungen
im Druckraum hervorgerufen werden. Auftretende Druckschwingungen
werden gedämpft, so dass der Kraftstoffdruck, der effektiv
auf die Druckfläche wirkt, deutlich geringere Druckschwankungen
aufweist als der Druck in dem Druckraum.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Kraftstoffeinspritzventil
bereitzustellen, welches bei großen Einspritzraten (Haupteinspritzung)
robust arbeitet, aber auch insbesondere kleine Einspritzraten (Voreinspritzung)
zuverlässig gewährleisten kann.
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Kraftstoffeinspritzventil
benachbart zu dem Ventilsitz einen Sitzabsatz aufweist und das die
Drossel zwischen dem Ventilsitz und dem Sitzabsatz angeordnet ist.
Dieser Ausgestaltung liegt zunächst einmal die Erkenntnis
zu Grunde, dass sich prinzipbedingt am Injektor ein Dilemma aus
Robustheit gegenüber Mengenschwankungen und Kleinmengenfähigkeit ergibt.
Bei der Abstimmung bestehen, neben weiteren Forderungen, die Prämisse,
dass der Injektor so robust auf Toleranzlagen und Drift reagiert,
dass die Einspritzmengen und Raten über die Laufzeit möglichst
unverändert bleiben. Im Gegensatz dazu besteht aber die
Forderung, dass bei der Voreinspritzung auch bei hohen Raildrücken
kleine Mengen realisiert werden können. Diese Anforderungen
konkurrieren miteinander. Durch die Anordnung der Drossel zwischen
dem Sitzabsatz und dem Ventilsitz wird erreicht, dass bei kleinen
Hüben und großen Fluidgeschwindigkeiten ein Druckeinbruch
unterhalb der wirksamen Drosselfläche eingestellt wird.
Durch ihre geometrische Lage führt dies zu einer Absenkung
der Nadelkraft. Dadurch wird die Einspritzrate gegenüber einer
Ausgestaltung ohne die Drossel reduziert und im Ergebnis die Voreinspritzrate
beziehungsweise die Voreinspritzmenge reduziert. Geringere Voreinspritzmengen
bieten verbrennungstechnische Vorteile.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Drossel in den
Sitzabsatz integriert. Dabei ist bei allen Ausgestaltungen das Vorhandensein
des Sitzabsatzes für die Einstellung der erfindungsgemäß gewünschten
Drosselwirkung wesentlich.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Sitzabsatz als
Stufensitzabsatz ausgebildet und die Drossel als quer zu der Bewegungsrichtung der
Ventilnadel ausgerichtete Verengung zwischen der Ventilnadel und
dem Ventilkörper ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung
lässt sich die Drossel sehr präzise einstellen.
So ist bei auf dem Ventilsitz aufliegender Ventilnadel ein genau
definierter Nullhub einstellbar, der die freie Querschnittsfläche
der Drossel bestimmt. Wesentlich ist, dass die Drossel bei auf dem
Ventilsitz aufliegender Ventilnadel immer (bezüglich der
Drosselfunktion) vollständig geöffnet ist. Es
handelt sich somit nicht um einen zusätzlichen Sitz zur
Vermeidung der damit verbundenen Verschleiß- und Driftproblematik.
Bei einem kleinen Öffnungshub der Ventilnadel und hohen
Fluidgeschwindigkeiten stellt sich hinter der Drossel ein geringerer dynamischer
Druck (Druckeinbruch) ein, der zu einer Absenkung der charakteristischen
Nadelkraft führt. Diese verminderte Nadelkraft tritt aber – wie
gewünscht – nur bei kleinem Nadelhub und hohen
Fluidgeschwindigkeiten auf (damit erfolgt eine Wirkung nur bei kleinen
Mengen), während bei einem großen Nadelhub die
Drossel zumindest angenähert unwirksam ist und dementsprechend
die Einspritzrate bei der Haupteinspritzung nicht beeinflusst wird.
Die Leerlaufmenge wird bei kleinen Drücken und niedrigen
Fluidgeschwindigkeiten weniger beeinflusst.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Sitzabsatz als Schrägsitzabsatz
ausgebildet und die Drossel ist als zumindest angenähert
parallel zu dem Ventilsitz ausgerichtete Verengung in den Sitzabsatz
eingearbeitet. Dabei ist es möglich, den Schrägsitzabsatz
durch entsprechende Ausgestaltung des Ventilkörpers oder
der Ventilnadel zu realisieren. Dadurch kann der Herstellungsaufwand
reduziert werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist die Drossel direkt in den Ventilsitz
integriert. Durch diese Ausgestaltung wird die Anzahl der zu bearbeitenden
Flachen reduziert.
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Dabei
weist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Ventilnadel benachbart
zu einem Sitzbereich der Ventilssitzfläche zumindest auf
der dem lochseitigen Ende des Ventilkörper zugewandten Seite
einen verkleinerten Nadelwinkel auf. Grundsätzlich wird
durch diese Ausgestaltung die erfindungsgemäße
Drosselwirkung erreicht. Zusätzlich wird vorteilhaft der
Sitzwinkel und der Spitzenwinkel der Ventilnadel und des Ventilkörpers
verkleinert. Dadurch wird bei einem geringen Nadelhub die freie
Fläche zwischen der Ventilnadel und der Ventilsitzfläche nur
geringfügig verändert, so dass sich zusammen mit
dem verkleinerten Nadelwinkel der gewünschte Druckabfall
und somit der Vorteil einer geringen Einspritzrate bei einer Voreinspritzung
ergibt. Bei dieser Ausgestaltung beträgt der Sitzwinkel
und der Spitzenwinkel der Ventilnadel und des Ventilkörpers
weniger als 59°, vorzugsweise zwischen 29° und
49°. Dadurch wird gleichzeitig die Wandstärke
des Ventilkörpers erhöht, was in Bezug auf die
Festigkeit bei hohen Raildrücken im Bereich von beispielsweise 3000
bar von Vorteil ist.
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In
weiterer Ausgestaltung ist der Sitzbereich eine Kegelabschnittsfläche
oder aber alternativ eine Ringfläche. Eine Kegelabschnittsfläche
ist in Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit vorteilhaft, während
bei einer Ringfläche die Drosselwirkung genauer einstellbar
ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu
entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher
beschrieben sind.
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Es
zeigen:
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1 den
einspritzseitigen Endbereich eines Kraftstoffeinspritzventils in
einer ersten Ausführungsform,
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2 eine
vergrößerte Ausschnittsdarstellung aus 1,
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3a, 3b in
einer Gegenüberstellung einen kleinen und einen großen Öffnungshub
der Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils,
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4 Diagramme
zur Nadelkraft und Einspritzrate des Kraftstoffeinspritzventils
bei hohen Drücken und hohen Fluidgeschwindigkeiten,
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5a, 5b Ausführungsbeispiele
mit in einen Schrägsitzabsatz integrierter Drossel und
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6a, 6b Ausführungsbeispiele
mit in den Ventilsitz integrierter Drossel
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1 zeigt
den einspritzseitigen Endbereich eines Kraftstoffeinspritzventils.
Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper 1 auf
in dem eine Bohrung 2 eingearbeitet ist. Auf dem einspritzseitigen
Ende des Ventilkörpers 1 weist dieser einen Ventilsitz 3 auf,
der in ein Sackloch 4 mündet. Von dem Sackloch 4 gehen
Einspritzkanäle 5 ab, über die Kraftstoff,
insbesondere Dieselkraftstoff in den jeweils zugeordneten Brennraum
der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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In
der Bohrung 2 ist eine Ventilnadel 6 längsverschiebbar
angeordnet. Die Ventilnadel 6 ist in einem nicht dargestellten
Bereich des Kraftstoffeinspritzventils mit einem Führungsabschnitt
in dem Ventilkörper 1 gelagert. An diesem Führungsabschnitt
schließt eine ebenfalls nicht dargestellte Druckschulter
an, von der die Ventilnadel 6 unter Bildung eines Druckraums 7 beabstandet
zu der Bohrung 2 in dem Ventilkörper 1 angeordnet
ist. Dem Druckraum 7 wird über eine geeignete
Zuführung Kraftstoff unter Druck zugeführt. Endseitig
und im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils zusammenwirkend
mit dem Ventilsitz 3 weist die Ventilnadel 6 eine
Ventilsitzfläche 8 auf, die die Kraftstoffzufuhr
von dem Druckraum 7 in das Sackloch 4 unterbindet.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil weist zwischen dem Druckraum 7 und
dem Ventilsitz 3 bzw. der Ventilsitzfläche 8 einen
Sitzabsatz 9 auf. In dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist
der Sitzabsatz als Stufensitzabsatz 9a ausgebildet. In
dem Stufensitzabsatz 9a ist eine Drossel 10 eingearbeitet,
die durch in den Sitzabsatz 9 eingelassene Verengungen 11a, 11b gebildet
ist. Die Drossel 10 ist so bemessen, dass diese bei geschlossenem
Kraftstoffeinspritzventil noch einen Strömungsquerschnitt
frei lässt. Bei kleinen Hüben der Ventilnadel 6 und
großen Fluidgeschwindigkeiten wird ein Druckeinbruch unterhalb der
Drosselfläche – also im Bereich zu dem Ventilsitz 3 hin – eingestellt.
Dies führt zu einer Absenkung der Nadelkraft FNadel,
die sich als Summe der Spitzenkraft FSpitze (FS) und der Drosselkraft FDrossel (FD) ergibt. Diese verringerte Nadelkraft stellt
sich nur bei geringem Hub der Ventilnadel 6 und hohen Fluidgeschwindigkeiten
ein, während bei großem Hub die Nadelkraft unverändert
(gegenüber einer Ausbildung des Sitzabsatzes 9 ohne
Drossel 10) verbleibt.
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2 zeigt
in einer vergrößerten Ausschnittsdarstellung aus 1 die
im Bereich des Sitzabsatzes 9 sich ergebenden geometrischen
Ausgestaltungen. Der Nullhub a der Drossel 10 und der Nadelhub
b der Ventilnadel 6 ergeben die freie Querschnittsfläche
der Drossel 10. Es ergeben sich mit den dargestellten geometrischen
Ausgestaltungen die folgenden Beziehungen. AHub = (Nullhub + Nadelhub)·π·d
ADrossel = (Nadeldurchmesser2 – Zylinderabsatz2)·π/4
FDrossel = pDrossel·ADrossel
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In
der Zeichnung sind ADrossel mit AD; AHub mit AH und pDrossel mit
pD bezeichnet.
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In 3a ist
ein kleiner Öffnungshub der Ventilnadel 6 und
in 3b ein großer Öffnungshub der
Ventilnadel 6 dargestellt.
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In
dem oberen Diagramm der 4 ist die Nadelkraft FN über den Nadelhub NH bei
hohen Drücken dargestellt. Die durchgezogene Kurve zeigt
die Nadelkraft, die sich ohne Drossel 10 ergibt, während die
strichlinierte Kurve die Verhältnisse wiedergibt, die sich
beim Einsatz der erfindungsgemäßen Drossel 10 ergeben.
Bei niedrigen Drücken schwächt sich die Wirkung
der Drossel 10 ab, was im Leerlaufbereich erwünscht
ist. In dem unteren Diagramm der 4 ist die
Einspritzrate ER über der Einspritzzeit
EZ dargestellt. Erkennbar ist, dass im Bereich
der links dargestellten Voreinspritzung durch die Drossel 10 eine
verringerte Voreinspritzmenge (dargestellt durch die strichlinierte
Kurve) erzielt wird. Die Haupteinspritzmenge (rechts in dem Diagramm
dargestellt) bleibt unverändert. Beispielsweise liegt bei
10 μm Nullhub die Einspritzmenge bei ca. 1,0 mm3 pro Hub, bei 60 μm Nullhub liegt
sie bei ca. 1,2 mm3 pro Hub. Die Kleinmengenfähigkeit
kann damit bei diesem Beispiel um ca. 20% verbessert werden. Die
Haupteinspritzmenge bleibt hierbei konstant.
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Die 5a und 5b zeigen
einen Sitzabsatz 9, der als Schrägsitzabsatz 9b ausgebildet
ist. Dabei ist in 5a die Verengung 11b in
den Ventilkörper 1 im oberen Bereich des Ventilsitzes 3 eingearbeitet,
während bei der 5b der
Ventilsitz 3 ist in den Bereich der Drossel 10 gradlinig
ausgebildet ist und die Verengung 11a im Bereich des ventilnadelseitigen
Schrägsitzabsatzes 9b angeordnet ist. Selbstverständlich
sind hier im Rahmen der Erfindung auch beliebige nicht dargestellte
Kombinationen möglich.
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Die 6a und 6b zeigen
Ausführungsbeispiele, bei denen die Drossel 10 in
den Ventilsitz 3 integriert sind. 6a zeigt
bei einer Sacklochdüse eine Ventilnadel 6, die
eine Ventilsitzfläche 8 aufweist, die als Ringfläche 12 ausgebildet
ist. Nur im Bereich der Ringfläche 12 ist im geschlossenen
Zustand der Ventilnadel 6 eine dichte Verbindung zu dem
Ventilsitz 3 hergestellt. Im Bereich zu dem Sackloch 4 und
auch zu dem Sitzabsatz 9 weist die Ventilnadel 6 jeweils
einen verkleinerten Nadelwinkel auf. Der Sitzwinkel der Ventilnadel 6 im
Bereich Ringfläche 12 und der Nadelwinkel sowie
der Spitzenwinkel des Ventilkörpers 1 sind gegenüber
den 1 bis 3 und 5 dargestellten Ausführungen kleiner,
vorzugsweise im Bereich zwischen 29° und 49° ausgestaltet. Wichtig
ist hierbei, dass der Sitzdurchmesser gegenüber den in
den vorherigen Ausführungsbeispielen gleich bleibt. Der Öffnungsdruck
bleibt somit gleich. Die Sitzlänge wird dadurch aber erhöht,
wodurch die Drosselung zunimmt.
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In 6b ist
ein entsprechendes Ausführungsbeispiel bei einer Sitzlochdüse
dargestellt. Um den Öffnungsdruck des Kraftstoffeinspritzventils
konstant zu halten ist die Position der Ringfläche 12 in Richtung
zu dem Sitzabsatz 9 verlagert. Hierdurch wird der gesamte
Drosselbereich des Sitzes verlängert. Der Sitz übernimmt
damit zusätzlich die Funktion der Drossel 10.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/057180
A1 [0002]
