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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff. Im Bereich der Kraftstoff-Direkteinspritzung werden beim Stand der Technik schnell schließende Ventile verwendet. Hierbei können beim Schließvorgang nach dem ersten Kontakt der Ventilnadel mit dem Ventilsitz so genannte Preller auftreten, wobei sich die Ventilnadel nach dem ersten Schließen nochmals ein- oder mehrfach aus dem Ventilsitz abhebt und dadurch einen Kraftstoffdurchtritt in den Brennraum ungewollt freigibt. Dieser Sachverhalt ist in 1 dargestellt, bei der ein zur Ventilbetätigung verwendetes elektrisches Ansteuerungssignal ES einen zeitlich verzögerten Ventilnadelhub H mit anschließenden Prellern PR auslöst. Die Ventilnadelpreller führen zu einer nicht definierten Kraftstoffdosierung mit einer damit verbundenen negativen Auswirkung auf die Gemischbildung im Brennraum. Aus der Verbrennung eines solchen Kraftstoffgemischs resultiert ferner ein erhöhter Schadstoffanteil. Zudem wird die Lebensdauer der Ventilnadel und des Ventilsitzes aufgrund der erhöhten mechanischen Beanspruchung negativ beeinflusst.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass aufgrund des Einsatzes einer Ventilnadel mit einer gezielt reduziert gestalteten Steifigkeit das Auftreten von Prellern deutlich reduziert werden kann und das Ventil nach dem Schließen sicher geschlossen bleibt. Aufgrund der hierdurch verbesserten elastischen Verformbarkeit der Ventilnadel wird die Stoßkraft auf den Ventilsitz beim Schließvorgang des Ventils gemindert und jene Energie abgebaut, die ansonsten zu Prellern führt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff eine Ventilnadel und ein Ventilgehäuse mit einem Ventilsitz umfasst, wobei die Ventilnadel wenigstens einen Durchlass am Ventilsitz freigibt und verschließt, und wobei die Ventilnadel einen Bereich mit reduzierter Steifigkeit aufweist. Somit kann eine definierte Kraftstoffdosierung sowie eine homogene Gemischbildung sichergestellt werden, was zu einem kontinuierlich niedrigen Schadstoffanteil führt. Zudem ist dadurch eine deutlich verbesserte Lebensdauer der Ventilnadel und des Ventilsitzes erreichbar.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise umfasst der Bereich mit reduzierter Steifigkeit eine an der Ventilnadel umlaufende Einschnürung. Dadurch wird eine gezielte Reduktion der Steifigkeit der Ventilnadel, vorzugsweise in der Nähe des Ventilsitzes, erreicht, die eine elastische Verformung beim Schließvorgang ohne Preller ermöglicht und somit eine sichere Ventilfunktion in allen Betriebsbereichen gewährleistet. Ferner wird hierbei eine Minimierung der Bauteile der Vorrichtung mit lediglich einer bewegten Masse in Form einer einteiligen Ventilnadel erreicht, die von lediglich einem Schließ-/Federelement zurückgestellt werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Ventilnadel aus einem Vollmaterial hergestellt. Dadurch ist die Ventilnadel auf einfache Weise kostengünstig herstellbar und kann als Bauteil bei der Fertigung des Ventilglieds in einem unveränderten Fertigungsschritt montiert werden. Ferner können bestehende Ventile zeit- und kosteneffizient umgerüstet werden, wodurch eine verbesserte Ventilfunktion erreichbar ist.
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Vorzugsweise weist die Ventilnadel einen Nadelstift und an einem Ende des Nadelstifts eine Kugel auf. Weiterhin bevorzugt ist der Bereich mit reduzierter Steifigkeit zwischen der Kugel und dem Nadelstift der Ventilnadel angeordnet. Durch eine geeignete Anpassung bzw. Auswahl der Durchmesserdifferenz zwischen Nadelstift und Kugel kann je nach Einsatzart eine gewünschte Reduzierung der Steifigkeit erreicht werden. Ferner wird durch den größeren Kugeldurchmesser das Sitzverhalten zwischen der Kugel und dem Ventilsitz sowie das Strömungsverhalten des austretenden Kraftstoffs deutlich verbessert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Bereich mit reduzierter Steifigkeit am Außenumfang des Nadelstifts eine umlaufende Aussparung. Durch die daraus resultierende Vergrößerung der Durchmesserdifferenz zwischen der Kugel und dem Nadelstift sowie der Erweiterung des Bereichs mit reduzierter Steifigkeit wird eine weiter verbesserte Elastizität der Ventilnadel und damit ein betriebssicheres Schließen auf dem Ventilsitz mit einer deutlich reduzierten Prellerneigung erreicht. Ferner resultiert daraus eine wesentlich verbesserte Dämpfung gegenüber hydraulischen Lösungen des Standes der Technik so dass die Kraftstoff-Direkteinspritzung in allen Betriebsbereichen auch bei hohem Druck- und Temperaturunterschieden sowie unterschiedlicher Viskosität und Dichte des einzuspritzenden Kraftstoffs betriebssicher gewährleistet ist.
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Vorzugsweise weist der Nadelstift einen inneren Hohlraum auf oder ist ein hohler Nadelstift. Aufgrund der daraus resultierenden reduzierten bewegten Masse der Ventilnadel bzw. deren verminderter Massenträgheit wird somit ein verbessertes Schließverhalten der Ventilnadel mit einem verringerten Stoßimpuls auf dem Ventilsitz erreicht.
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Vorzugsweise weist der Nadelstift Durchtrittsöffnungen auf. Weiterhin bevorzugt sind die Durchschnittsöffnungen zylindrisch ausgebildet, wobei ein Durchmesser der zylindrischen Durchtrittsöffnungen größer ist als eine minimale Stegbreite zwischen den Durchtrittsöffnungen. Die Durchtrittsöffnungen sind hierbei vorzugsweise entlang des Umfangs und an einer Umfangslinie gleich verteilt angeordnet. Dadurch wird ein homogener radialer Kraftstoffaustritt im Ventilgehäuse erreicht, der eine betriebssichere Ventilfunktion mit gutem Ansprechverhalten gewährleistet. Alternativ können die Durchtrittsöffnungen vorzugsweise auch durch ausgesparte Mantelbereiche des hohlen Nadelstifts ausgebildet sein.
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Weiterhin bevorzugt weist der hohle Nadelstift unterschiedliche Wandstärken auf. Hierbei sind die Durchtrittsöffnungen bevorzugt im Bereich der geringen Wandstärke angeordnet. Durch eine gezielte Auswahl der Wandstärken über eine bestimmte Länge der Ventilnadel ist eine definierte Anpassung deren reduzierter Steifigkeit bzw. erhöhten Elastizität für die jeweilige Einsatzart möglich. Ferner ist dadurch eine weitere Reduzierung des Bauteilgewichts bzw. der bewegten Masse erreichbar.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine grafische Darstellung eines elektrischen Signals und einer daraus resultierenden Hubbewegung bei Ventilen des Standes der Technik,
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2 eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines Teilbereichs der Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines Teilbereichs der Vorrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines Teilbereichs er Vorrichtung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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5 eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines Teilbereichs der Vorrichtung gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 eine vergrößerte schematische Schnittansicht der Vorrichtung gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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7 eine vergrößerte schematische Schnittansicht der Vorrichtung gemäß einem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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8 eine vergrößerte schematische Schnittansicht der Vorrichtung gemäß einem siebten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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9 eine vergrößerte schematische Schnittansicht entlang der Linie A-A der Vorrichtung von 8.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 2 bis 9 bevorzugte Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in den Ausführungsbeispielen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines Teilbereichs einer Vorrichtung 1 zur Einspritzung von Kraftstoff gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Ventilnadel 2 und ein Ventilgehäuse 3 mit einem kegelförmig ausgebildeten Ventilsitz 4. Die Ventilnadel 2 ist aus einem Vollmaterial einstückig ausgebildet und mittels umfangsseitig angeordneten Führungselement 22 im Inneren des Ventilgehäuses 3 geführt. Die Ventilnadel 2 weist ferner einen halbkugelförmigen Endbereich 21 auf, der einen oder mehrere Durchlässe 20 am Ventilsitz 4 für den einzuspritzenden Kraftstoff freigibt bzw. verschließt. Die Vorrichtung 1 ist in 2 im geschlossenen Zustand dargestellt, wobei der Endbereich 21 der Ventilnadel 2 am Ventilsitz 4 anliegt.
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Wie aus 2 ferner ersichtlich, weist die Ventilnadel 2 einen Bereich 5 mit reduzierter Steifigkeit auf, der eine an der Ventilnadel 2 umlaufende Einschnürung 6 umfasst. Aufgrund der Einschnürung 6 erfolgt beim Schließvorgang der Vorrichtung 1 eine elastische Verformung bzw. Stauchung der Ventilnadel 2, wodurch die Ventilnadel nach dem ersten Auftreffen bzw. Schließen auf dem Ventilsitz 4 geschlossen bleibt. Aufgrund der damit erreichten Dämpfung beim Schließvorgang werden Preller in Form eines mehrfachen Abhebens der Ventilnadel 2 aus dem Ventilsitz 4 nach dem ersten Schließen weitestgehend verhindert. Somit kann am Bereich 5 mit reduzierter Steifigkeit ein Energieabbau einer Schließenergie der Ventilnadel 2 erfolgen.
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Bei dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 umfasst die Ventilnadel 2 einen Nadelstift 8 mit einer an einem Endbereich 21 des Nadelstifts 8 angeordneten Kugel 7. Die Kugel 7 ist hierbei am Nadelstift 8 mittels einer durchgehenden Schweißnaht 9 befestigt. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel bilden die Schweißnaht 9 und der sich verjüngende Endbereich 21 des Nadelstifts 8 den zur Prellerverhinderung vorgesehenen Bereich 5 mit reduzierter Steifigkeit der Ventilnadel 2.
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Bei dem in 4 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 weist der ebenfalls aus Vollmaterial hergestellte Nadelstift 8 am Außenumfang eine an einem Endabschnitt 210 vorgesehene umlaufende Aussparung 10 auf. Die Aussparung 10 ist auf einer Länge L1 am Endabschnitt 210 des Nadelstifts 8 ausgebildet. Der Materialabtrag der Aussparung 10 ist in 3 durch punktierte Linien verdeutlicht. Der Endabschnitt 210 weist einen Durchmesser D4 auf, der kleiner als ein Durchmesser D3 des an die Länge L1 angrenzenden restlichen Nadelstifts 8 ist. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel bilden die Schweißnaht 9 und die auf der Länge L1 ausgebildete Aussparung 10 den Bereich 5 mit reduzierter Steifigkeit der Ventilnadel 2, der das Prellen verhindert.
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Bei dem in 5 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 weist der Endbereich 21 des Nadelstifts 8, der mittels der Schweißnaht 9 an der Kugel 7 befestigt ist, einen auf einer Länge L2 zylindrisch ausgebildeten inneren Hohlraum 11 auf. Der Bereich 5 mit reduzierter Steifigkeit der Ventilnadel 2 wird somit beim diesem vierten Ausführungsbeispiel aus dem Endbereich 21 des Nadelstifts 8 mit dem auf der Länge L2 vorgesehenen inneren Hohlraum 11 gebildet.
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Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsbeispielen weist die Ventilnadel 2 des in 6 dargestellten fünften Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 1 einen hohlen bzw. rohrförmig ausgebildeten Nadelstift 80 auf, dessen Endbereich 21 mit vier zylindrisch ausgebildeten Durchtrittsöffnungen 12 versehen ist. Die Durchtrittsöffnungen 12, von denen in dieser Schnittdarstellung drei sichtbar sind, sind hierbei entlang des Umfangs und auf einer kreisförmigen Umfangslinie des hohlen Nadelstifts 80 gleich verteilt angeordnet. Alternativ können auch weniger oder mehr als vier Durchtrittsöffnungen 12 entlang des Umfangs vorgesehen werden. Wie aus 6 weiter ersichtlich, ist ein Durchmesser D5 der Durchtrittsöffnungen 12 hierbei größer als eine minimale Stegbreite S zwischen den Durchtrittsöffnungen 12 bemessen, um einen möglichst gleichmäßigen radialen Kraftstoffdurchtritt in den Ventilkörper 3 zu erreichen. Der Bereich 5 mit reduzierter Steifigkeit der Ventilnadel 2 wird bei diesem fünften Ausführungsbeispiel somit durch die Durchtrittsöffnungen 12 des hohlen Nadelstifts 80 gebildet.
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Bei dem in 7 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel weist der hohle Nadelstift 80 unterschiedliche Wandstärken auf und ist in seinem Endbereich 21 auf einer Länge L3 mit einer Wandstärke W1 ausgebildet, die geringer als eine Wandstärke W2 des angrenzenden restlichen Nadelstifts 80 ist. Bei diesem sechsten Ausführungsbeispiel wird der Bereich 5 mit reduzierter Steifigkeit somit von dem Abschnitt des hohlen Nadelstifts 80 mit der geringeren Wandstärke W1 gebildet, in welchem auch die Durchtrittsöffnungen 12 angeordnet sind.
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Bei dem in 8 und 9 dargestellten siebten Ausführungsbeispiel sind am Endbereich 21 des hohlen Nadelstifts 80 auf einer Länge L4 ausgesparte (d. h. entfernte) Mantelbereiche 13 vorgesehen, die zwei Durchtrittsöffnungen bilden. Wie aus einer Zusammenschau von 8 und 9 weiter ersichtlich, weist der Endbereich 21 des hohlen Nadelstifts 80 hierbei zwei stegförmig ausgebildete gegenüberliegend angeordnete Teilmantelbereiche 14, 15 auf, die an der Kugel 7 mittels der Schweißnaht 9 befestigt sind. Die Umfangslänge der stegförmigen Teilmantelbereiche 14, 15 ist hierbei deutlich kleiner, vorzugsweise um die Hälfte kleiner, als die Umfangslänge der ausgesparten Mantelbereiche 13 bemessen. Der Bereich 5 mit reduzierter Steifigkeit wird bei diesem siebten Ausführungsbeispiel folglich durch den Endbereich 21 des hohlen Nadelstifts 80 mit den auf der Länge L4 ausgesparten Mantelbereichen 13 gebildet.
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Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1 weisen den Vorteil auf, dass die Ventilnadel 2 aufgrund des Bereich 5 mit reduzierter Steifigkeit eine elastische Bewegung bzw. Stauchung beim Schließvorgang ermöglicht, die die Prellneigung weitestgehend eliminiert. Somit bleibt die Vorrichtung 1 nach dem Anliegen der Ventilnadel 2 am Ventilsitz 4 geschlossen. Die Ventilnadel 2 kann ferner auf einfache Weise in die Auslegung vorhandener und zukünftiger Ventilnadelbaugruppen von Vorrichtungen 1 zur Einspritzung von Kraftstoff integriert werden. Somit wird eine langzeitstabile und vom verwendeten Kraftstoffmedium unabhängige Ventilfunktion, insbesondere bevorzugt bei Saugrohr- oder Direkteinspritzung von Ottokraftstoff in Brennkraftmaschinen, gewährleistet. Darüber hinaus sind auch beliebige Kombinationen aus den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen realisierbar.
