DE10205188A1

DE10205188A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10205188A1
Application number: DE10205188A
Authority: DE
Inventors: Markus Ohnmacht; Andreas Koeninger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2003-08-21
Also published as: FR2835885B1; JP2003239826A; FR2835885A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilgehäuse (1), in dem eine Bohrung (6) ausgebildet ist, an deren brennraumseitigen Ende ein Ventilsitz (14) und wenigstens eine Einspritzöffnung (16) ausgebildet sind. Ein kolbenförmiges Steuerelement (4) ist längsverschiebbar in der Bohrung (6) angeordnet, wobei zwischen dem Steuerelement (4) und der Bohrung (6) ein Druckraum (9) ausgebildet ist, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Das Steuerelement (4) wirkt mit einer Dichtfläche (28) mit dem Ventilsitz (14) zur Steuerung der wenigstens einen Einspritzöffnung (16) zusammen. Das Steuerelement (4) weist eine Führungshülse (5) und ein Ventilglied (20) auf, wobei die Führungshülse (5) an ihrem brennraumseitigen Ende am Ventilglied (20) anliegt und wobei die Dichtfläche (28) am Ventilglied (20) ausgebildet ist (Fig. 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 196 18 650 A1 bekannt. In einem Kraftstoffeinspritzventil ist in einem Ventilgehäuse eine Bohrung ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen Ende durch einen Ventilsitz verschlossen ist. Im Ventilsitz ist wenigstens eine Einspritzöffnung vorgesehen, die die Bohrung mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. In der Bohrung ist eine kolbenförmige Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet, wobei zwischen der Ventilnadel und der Bohrung ein Druckraum ausgebildet ist, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist.

Bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil weist die Ventilnadel an ihrem dem Ventilsitz zugewandten Ende eine konische Ventildichtfläche auf, die mit dem Ventilsitz zur Steuerung der wenigstens einen Einspritzöffnung zusammenwirkt. Durch eine Längsbewegung der Ventilnadel in der Bohrung wird die Einspritzöffnung mit dem Druckraum verbunden oder gegen diesen verschlossen, so dass so die Einspritzdauer und der Einspritzzeitpunkt gesteuert werden kann. Die Ventilnadel ist hierbei in einem Abschnitt in der Bohrung dichtend geführt, um so den Druckraum gegenüber einem im Kraftstoffeinspritzventil vorhandenen Leckölraum abzudichten.

Bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil erfolgt der Druckaufbau für die Einspritzung über eine Hochdruckzuleitung, die Kraftstoff unter hohem Druck in den Druckraum fördert. Um den vollen Kraftstoffdruck im Druckraum zur Einspritzung zur Verfügung zu haben, muss ein Druckverlust innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils vor oder während der Einspritzung unterbunden werden, was eine sichere Abdichtung des Druckraums notwendig macht. Die bekannte Ventilnadel ist jedoch aus einem Werkstoff gefertigt, der hinsichtlich des Verschleißes am Ventilsitz optimiert ist, das heißt auf Schlag und Schwingverschleiß. Die Abdichtung des Druckraums ist nur durch eine enge Führung der Ventilnadel in der Bohrung zu erreichen, was zu Problemen hinsichtlich Reibung und Verschleiß in diesem Bereich führen kann. Um den Verschleiß der Ventilnadel in der Führung trotz des nicht optimalen Materials der Ventilnadel zu reduzieren sind zusätzliche Maßnahmen nötig, wie z. B. das Aufbringen einer reibungsvermindernden Beschichtung. Diese Maßnahmen sind teuer und liefern meist keine optimalen Ergebnisse.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Funktion von Führung und Dichtfläche getrennt ist, so dass beide Teile des Steuerelements auf ihre jeweilige Aufgabe optimiert werden können, ohne die Funktion des jeweils anderen Teils zu stören. Hierzu besteht das Steuerelement aus einer Führungshülse, die an ihrem brennraumseitigen Ende eine Ausnehmung aufweist, in die ein Ventilglied mit einer Anformung hineinragt, wobei die Ventildichtfläche am Ventilglied ausgebildet ist und mit dem Ventilsitz zur Steuerung der wenigstens einen Einspritzöffnung zusammenwirkt. Das Ventilglied und die Führungshülse werden jeweils getrennt gefertigt und können aus Verschiedenen, auf die jeweilige Aufgabe optimierten Materialien mit darauf abgestimmten Fertigungsmethoden hergestellt werden. Auf diese Weise lassen sich beide Teile auch mit unterschiedlichen Verfahren härten und dadurch verschleißfester gestalten.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist die Ausnehmung an der Führungshülse eine Sackbohrung, die koaxial zur Längsachse der Führungshülse verläuft und deren offenes Ende dem Ventilglied zugewandt ist. Die Anformung des Ventilglieds ist entsprechend zylinderförmig ausgebildet, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn der Außendurchmesser der zylinderförmigen Anformung kleiner ist als der Innendurchmesser der Ausnehmung. Hierdurch erhält das Ventilglied bezüglich der Führungshülse eine radiale Bewegungsfreiheit, so dass sich der Konus der Ventildichtfläche an den Konus des Ventilsitzes anpassen kann, ohne dass die Führungsqualitäten der Führungshülse in der Bohrung beeinträchtigt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventilglied rotationssymmetrisch ausgebildet, und die Anformung und die Ventildichtfläche des Ventilglieds bilden seine beiden Enden. Das derart ausgestaltete Ventilglied lässt sich einfach herstellen, und durch seine rotationssymmetrische Ausbildung ist die Montage innerhalb des Kraftstoffe inspritzventils unproblematisch.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Ventilgehäuse einen Ventilkörper und einen Ventilhaltekörper, wobei der Ventilkörper an den Ventilhaltekörper grenzt und wobei die Führungshülse im Ventilhaltekörper geführt ist. Durch die Ausbildung des Ventilsitzes in einem Teil des Kraftstoffeinspritzventils einerseits und der Führung der Führungshülse im Kraftstoffeinspritzventil andererseits in verschiedenen Bauteilen lässt sich nicht nur die Führungshülse und das Ventilglied auf die jeweilige Funktion optimieren, sondern auch das Material des Bauteils, in dem die Bohrung ausgebildet ist beziehungsweise in dem die Führungshülse geführt ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Führungshülse eine entlang der Längsachse verlaufende Längsbohrung ausgebildet, die die Ausnehmung mit einem Leckölraum verbindet, in dem ein stets niedriger Kraftstoffdruck herrscht. Hierdurch ist die Ausnehmung an der Führungshülse stets ebenso drucklos wie der Leckölraum, und das Ventilglied wird durch den Druck im Druckraum gegen die Führungshülse gepresst und bewegt sich in jedem Fall synchron mit dieser.

Weiter ist es vorteilhaft möglich, die Anlagefläche an der Führungshülse ringscheibenförmig auszubilden und am Ventilglied eine ebenso ringscheibenförmige Ringschulter auszubilden, die dichtend aneinander zur Anlage kommen und so die Ausnehmung gegen den Druckraum verschließen. Durch diese Ausbildung lässt sich der Leckölstrom, der aus der Ausnehmung durch die Längsbohrung in den Leckölraum fließt, minimieren, so dass der Druckaufbau innerhalb des Druckraums und des Ventilsitzes nicht beeinträchtigt wird.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,

Fig. 2 eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts von Fig. 1 im Bereich des Ventilsitzes und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffeinspritzventils.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt, das ein Ventilgehäuse 1 aufweist. In einem Ventilkörper 3, der ein Teil des Ventilgehäuses 1 ist, ist eine Bohrung 6 mit einer Längsachse 18 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 14 begrenzt ist. Im Ventilsitz 14 sind mehrere Einspritzöffnungen 16 ausgebildet, die den Ventilsitz 14 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbinden, wobei die Einspritzöffnungen 16 gleichmäßig über den Umfang des Ventilkörpers 1 verteilt angeordnet sind. In der Bohrung 6 ist ein Steuerelement in Form einer Ventilnadel 4 angeordnet, die eine Führungshülse 5 und ein Ventilglied 20 umfasst. Die Führungshülse 5 ist rotationssymmetrisch ausgebildet, so dass ihre Längsachse mit der Längsachse 18 der Bohrung 6 zusammenfällt. In einem brennraumabgewandten Abschnitt der Bohrung 6 ist die Führungshülse 5 dichtend geführt und verjüngt sich unter Bildung einer Druckschulter 7 dem Ventilsitz 14 zu. Zwischen der Führungshülse 5 und der Wand der Bohrung 6 ist ein Druckraum 9 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 7 radial erweitert ist. Im Ventilkörper 3 ist ein Zulaufkanal 12 ausgebildet, der in die radial Erweiterung des Druckraums 9 mündet und dem Druckraum 9 Kraftstoff unter hohem Druck zuführen kann.
Die Führungshülse 5 weist an ihrem dem Ventilsitz 14 zugewandten Ende eine Ausnehmung 22 auf, die als Sackbohrung ausgeführt ist und koaxial zur Längsachse der Führungshülse 5 ausgebildet ist. Die Ausnehmung 22 ist über eine in der Führungshülse 5 ausgebildete Längsbohrung 26 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Leckölraum verbunden, der stets einen niedrigen Kraftstoffdruck aufweist, so dass auch in der Ausnehmung 22 stets ein niedriger Druck herrscht. Zwischen der Führungshülse 5 und dem Ventilsitz 14 ist das Ventilglied 20 angeordnet, das eine Längsachse aufweist, die mit der Längsachse 18 der Bohrung 6 zusammenfällt. Eine detailliertere Darstellung des Ventilglieds 20 ist in Fig. 2 dargestellt, die den mit II bezeichneten Ausschnitt von Fig. 1 vergrößert darstellt. Das Ventilglied 20 weist an seinem brennraumseitigen Ende eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 28 auf, die mit dem Ventilsitz 14 zum Öffnen oder Schließen der wenigstens einen Einspritzöffnung 16 zusammenwirkt. Das Ventilglied 20 weist darüber hinaus eine zylinderförmige Anformung 24 auf, die in die Ausnehmung 22 der Führungshülse 5 hineinragt. Der Durchmesser der zylinderförmigen Anformung 24 ist kleiner als der maximale Durchmesser des Ventilglieds 20, so dass am Ventilglied 20 eine Ringschulter 32 ausgebildet ist, die an einer am brennraumseitigen Ende der Führungshülse 5 ausgebildeten ringscheibenförmigen Anlagefläche 30 zur Anlage kommt.
Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt:
Auf die Führungshülse 5 wirkt durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung eine Schließkraft, die die Führungshülse 5 in Richtung des Ventilsitzes 14 drückt. Über die Anlage an der Ringschulter 32 des Ventilglieds 20 wird auch das Ventilglied 20 mit der Ventildichtfläche 28 gegen den Ventilsitz 14 gepresst, so dass die Einspritzöffnungen 16 verschlossen sind. Soll eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgen, so wird Kraftstoff unter hohem Druck durch den Zulaufkanal 12 in den Druckraum 9 geleitet, so dass sich eine hydraulische Kraft auf die Druckschulter 7 und auf Teile der Ventildichtfläche 28 des Ventilglieds 20 ergibt. Sobald diese hydraulischen Kräfte die Schließkraft auf die Führungshülse 5 übersteigen, bewegt sich die Führungshülse 5 und mit ihr das Ventilglied 20 vom Ventilsitz 14 weg, so dass der Druckraum 19 mit dem Ventilsitz 14 verbunden wird und Kraftstoff durch die Einspritzöffnungen 16 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Durch eine Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr in den Druckraum 9 beziehungsweise durch eine Erhöhung der Schließkraft auf die Führungshülse 5, gleitet die Führungshülse 5 in Richtung auf den Ventilsitz 14 und drückt dadurch das Ventilglied 20 wieder in Anlage am Ventilsitz 14. Hierdurch werden die Einspritzöffnungen 16 wieder verschlossen, und die Einspritzung ist beendet.
Bedingt durch die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils trifft die Ventilnadel 4 bei der Schließbewegung mit hoher Geschwindigkeit auf den Ventilsitz 14 auf. Hohe Kräfte auf die Ventilnadel 4 sind zur Steuerung der Längsbewegung unumgänglich, da sich nur durch kurze Schaltzeiten präzis e Einspritzungen auch von kleinsten Kraftstoffmengen realisieren lassen. Um den Schlag- und Schwingverschleiß des Ventilglieds 20 am Ventilsitz 14 möglichst gering zu halten, wird das Ventilglied 20 aus einem geeigneten Stahl hergestellt, der durch Härtungsverfahren optimiert ist. Der Stahl des Ventilglieds 20 kann sich somit vom Stahl der Führungshülse 5 unterscheiden. Die Führungshülse 5 hingegen ist im brennraumabgewandten Abschnitt der Bohrung 6 dichtend geführt, wobei zwischen der Führungshülse 5 und der Wand der Bohrung 6 Verschleiß auftritt, der durch einen geeigneten Stahl mit einer entsprechend gehärteten Oberfläche minimiert werden kann.
Es ist nur schwer möglich, die Führungshülse 5 genau fluchtend mit dem Ventilsitz 14, also der Achse des entsprechenden Konuskegels, zu montieren. Da zwischen der Anformung 24 und der sackbohrungförmigen Ausnehmung 22 jedoch ein Spiel vorhanden ist, kann sich das Ventilglied 20 in radialer Richtung bezüglich der Führungshülse 5 verschieben, so dass sich das Ventilglied 20 optimal an den Ventilsitz 14 anpassen kann, ohne die Führung der Führungshülse 5 in der Bohrung 6 zu beeinträchtigen. Wäre das Ventilglied 20 starr mit der Führungshülse 5 verbunden, so könnten auf die Führung der Führungshülse 5 in der Bohrung 6 Querkräfte wirken, die dort zu einem erhöhten Verschleiß und damit zu einem vorzeitigen Ausfall des Kraftstoffeinspritzventils führen könnten.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. An den Ventilkörper 3 grenzt hier ein Ventilhaltekörper 2, der durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung gegen den Ventilhaltekörper 1 axial verspannt ist. Die Führungshülse 5 ist nicht mehr in der Bohrung 6 geführt, sondern in einer entsprechenden Bohrung 31 im Ventilhaltekörper 2. Die Dichtfunktion des Ventilglieds 20 am Ventilsitz 14 ist somit völlig getrennt von der Führungsfunktion der Führungshülse 5. Da auch der Ventilkörper 3 hinsichtlich der Schlagfestigkeit am Ventilsitz 14 optimiert ist, lässt sich durch eine Verlagerung der Führung der Führungshülse 5 in den Ventilhaltekörper 2 das Material des Ventilhaltekörpers 2 auf Verschleißarmut bezüglich der Führung der Führungshülse 5 in der Bohrung 31 optimieren, so dass eine verbesserte Verschleißfestigkeit zu erwarten ist. Die Abdichtung des Druckraums 9 erfolgt wiederum über die dichtende Führung der Führungshülse 5 in der Bohrung 31.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Ventilglied 20 mit seiner Anformung 24 in der Ausnehmung 22 der Führungshülse 5 geführt ist. Hierdurch entfällt zwar der Selbstausrichtungsfunktion des Ventilglieds 20 bezüglich des Ventilsitzes 14, jedoch erleichtert diese Verbindung die Montage des Kraftstoffeinspritzventils im Produktionsprozess. Durch die Längsbohrung 26 ist die Ausnehmung 22 stets drucklos, so dass das Ventilglied 20 durch die hydraulische Kraft auf die Ventildichtfläche 28 an die Führungshülse 5 angepresst wird, so dass sich das Ventilglied 20 und die Führungshülse 5 stets synchron bewegen und keine Gefahr besteht, dass das Ventilglied 20 trotz einer Längsbewegung der Führungshülse 5 in seiner Schließstellung am Ventilsitz 14 verharrt und die Einspritzöffnungen 16 verschließt.
Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, die Führungshülse 5 in einem weiteren Abschnitt zwischen dem geführten Abschnitt im Ventilkörper 3 und dem Ventilsitz 14 zusätzlich in der Bohrung 6 zu führen. Durch diese doppelte Führung werden Vibrationen und Verschiebungen der Führungshülse 5 verhindert, wobei aufgrund der Selbstausrichterfunktion des Ventilglieds 20 keine negativen Einflüsse auf die Dichtfunktion des Ventilglieds 20 zu erwarten sind.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Führungshülse 5 und das Ventilglied 20 aus völlig unterschiedlichen Materialien bestehen. Beispielsweise kann das Ventilglied 20 aus einem Stahl bestehen, während die Führungshülse 5 aus Keramik oder einem Kunststoff gefertigt ist, insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoff. Hierdurch lässt sich auch eine Gewichtsreduzierung des gesamten bewegten Systems erreichen, was die Schaltzeiten verringert und damit die Steuerbarkeit insbesondere kleiner Einspritzmengen erleichtert. Auch bei der Ausführung der Führungshülse 5 aus einem Stahl ergibt sich durch die Längsbohrung 26 eine deutliche Gewichtsreduzierung gegenüber dem Stand der Technik.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilgehäuse (1), in dem eine Bohrung (6) ausgebildet ist, an deren brennraumseitigen Ende ein Ventilsitz (14) und wenigstens eine Einspritzöffnung (16) ausgebildet sind, und mit einem kolbenförmigen Steuerelement (4), das längsverschiebbar in der Bohrung (6) angeordnet ist, wobei zwischen dem Steuerelement (4) und der Bohrung (6) ein Druckraum (9) ausgebildet ist, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist, und wobei das Steuerelement (4) mit einer Dichtfläche (28) mit dem Ventilsitz (14) zur Steuerung der wenigstens einen Einspritzöffnung (16) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (4) eine Führungshülse (5) und ein Ventilglied (20) aufweist, wobei die Führungshülse (5) an ihrem brennraumseitigen Ende am Ventilglied (20) anliegt und wobei die Dichtfläche (28) am Ventilglied (20) ausgebildet ist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse (5) an ihrem brennraumseitigen Ende eine Ausnehmung (22) aufweist, in die das Ventilglied (20) mit einer Anformung (24) hineinragt.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse eine Längsachse (18) aufweist und dass die Ausnehmung (22) an der Führungshülse (5) eine Sackbohrung ist, die koaxial zur Längsachse (18) der Führungshülse (5) verläuft und deren offenes Ende dem Ventilsitz (14) zugewandt ist.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse (5) in einem brennraumabgewandten Abschnitt der Bohrung (6) geführt ist.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anformung (24) am Ventilglied (20) zylinderförmig ausgebildet ist.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der zylinderförmigen Anformung (24) kleiner ist als der Innendurchmesser der Ausnehmung (22).

7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (20) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und dass die Anformung (24) und die Ventildichtfläche (28) die beiden Enden des Ventilglieds (20) bilden.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (1) einen Ventilkörper (3) und einen Ventilhaltekörper (2) umfasst, wobei der Ventilkörper (3) am brennraumabgewandten Ende an den Ventilhaltekörper (2) grenzt und die Bohrung (6; 31) sowohl im Ventilkörper (3) als auch im Ventilhaltekörper (2) verläuft, wobei die Führungshülse (5) im Ventilhaltekörper (2) geführt ist.

9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse (5) eine Längsbohrung (26) aufweist, deren Achse mit der Längsachse (18) zusammenfällt, wobei die Längsbohrung (26) die. Ausnehmung (22) mit dem brennraumabgewandten Ende der Führungshülse (5) verbindet, wo die Längsbohrung (26) in einen Leckölraum mündet, in dem stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht.

10. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am brennraumzugewandten Ende der Führungshülse (5) eine ringscheibenförmige Anlagefläche (30) und am Ventilglied (20) eine ebenso ringscheibenförmige Ringschulter (32) ausgebildet ist, die dichtend aneinander zu Anlage kommen und so die Ausnehmung (22) gegen den Druckraum (9) verschließen.