Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für
Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1
aus. Solche Kraftstoffeinspritzventile weisen einen
Ventilkörper auf, in dem eine Bohrung ausgebildet ist, die
an ihrem brennraumseitigen Ende von einem konischen
Ventilsitz begrenzt wird. In der Bohrung ist eine
kolbenförmige Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet, die
mit einer ebenfalls konischen Ventildichtfläche mit dem
Ventilsitz zusammenwirkt und dabei die Öffnung wenigstens
eines Einspritzkanals steuert, der vom Ventilsitz ausgeht
und in den Brennraum der Brennkraftmaschine führt. Je nach
Stellung der Ventilnadel kann Kraftstoff aus einem zwischen
der Ventilnadel und der Wand der Bohrung ausgebildeten
Druckraum den Einspritzkanälen zuströmen oder nicht. Der
konische Ventilsitz weist dabei eine Symmetrieachse auf, die
mit der Längsachse der Bohrung zusammenfällt.
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Aus der DE 100 00 501 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil
bekannt, bei dem der Ventilkörper im gesamten Endbereich
eine gleichmäßige Wandstärke aufweist, auch in dem Bereich,
in dem die Ventilnadel in ihrer Schließstellung aufliegt und
im brennraumseitigen Endbereich der Bohrung. Hierdurch ist
die Stabilität des Ventilkörpers nicht immer gewährleistet,
da im Endbereich des Ventilkörpers hohe mechanische
Belastungen auftreten können: Zum einen kommt es durch das
Aufsetzen der Ventilnadel beim Verschließen der
Einspritzkanäle zu einer Deformation des Ventilkörpers,
wodurch dieser zu Schwingungen angeregt wird. Zum anderen
schwankt der Druck im Druckraum beim Betrieb des
Kraftstoffeinspritzventils erheblich, da der hohe Einspritzdruck - je
nach Art des Kraftstoffeinspritzventils - nur dann im
Druckraum anliegt, wenn eine Einspritzung erfolgen soll.
Durch diese Druckschwankungen kommt es periodisch zu einer
Aufweitung des Ventilkörpers und damit zu mechanischer
Belastung. Die Ventilnadel liegt bei deformiertem
Ventilkörper etwas verschieden auf dem Ventilsitz auf, als
dies im drucklosen Zustand der Fall ist. Die bekannten
Kraftstoffeinspritzventile weisen deshalb den Nachteil auf,
dass die Verformungen durch Druckschwingung und mechanischer
Belastung durch die Ventilnadel zu übermäßigem Verschleiß
zwischen der Ventilnadel und dem Ventilsitz führen können.
Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist
demgegenüber den Vorteil auf, dass der Ventilkörper im
Bereich des Ventilsitzes gegenüber dem Stand der Technik
deutlich verstärkt ist, was die Aufweitung durch die
mechanischen Belastungen verringert und damit auch weniger
Verschleiß im Bereich des Ventilsitzes auftritt. Hierzu
weist der Ventilkörper im Endbereich eine Verstärkung auf
mit einer Wandstärke, die wenigstens einen Faktor 1, 2 größer
ist als die Wandstärke am angrenzenden Wandbereich. Durch
die relativ geringe Wandstärke am Durchstoßpunkt der
Längsachse bleibt eine gewisse Flexibilität des
Ventilkörpers erhalten, was unerlässlich ist, um ein
mechanisches Versagen des Ventilkörpers durch das
Aufschlagen der Ventilnadel beim Schließen des
Kraftstoffeinspritzventils zu verhindern.
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Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen
des Gegenstandes der Erfindung möglich.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes
der Erfindung ist die Verstärkung im Bereich des
Ventilsitzes ausgebildet. Die Einspritzkanäle, die vom
Ventilsitz ausgehen, münden dabei vorteilhafterweise in
Ausnehmungen, die an der Außenseite des Ventilkörpers
ausgebildet sind. Dadurch wird die effektive Länge der
Einspritzkanäle verkürzt, ohne dass die Stabilität des
Ventilkörpers wesentlich beeinträchtigt wird. Eine nicht zu
große Länge der Einspritzkanäle ist erforderlich,, damit die
Drosselung des Kraftstoffstroms in den Einspritzkanälen
nicht zu groß wird. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung
der Ausnehmungen als Kegelsenkung, da dies einfach zu
fertigen ist und über einen genügend großen Öffnungswinkel
sichergestellt werden kann, dass der aus dem Einspritzkanal
austretende Einspritzstrahl nicht durch den Ventilkörper
beeinträchtigt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die
Ausnehmung als Ringnut ausgebildet, in die sämtliche
Einspritzkanäle münden. Es braucht hier nicht für jeden
Einspritzkanal eine separate Ausnehmung gefertigt zu werden,
was im allgemeinen mit mehr Aufwand verbunden ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die
Verstärkung am brennraumseitigen Endabschnitt der Bohrung an
der Innenwand ausgebildet und grenzt dabei an den
Ventilsitz. Dadurch wird eine Aufweitung der Bohrung, die
auch zu einer Verformung des Ventilsitzes führt, deutlich
vermindert. Vorteilhafterweise ist der Ringspalt, der
zwischen der Ventilnadel und der Wand der Bohrung
ausgebildet ist, im Bereich der Verstärkung zumindest
annähernd gleich wie im angrenzenden Bereich der Bohrung, um
den Kraftstofffluss zu den Einspritzöffnungen nicht zu
behindern.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des
Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung und der
Zeichnung entnehmbar.
Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es
zeigt
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Fig. 1 ein Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt,
wobei nur eine Seite voll dargestellt ist,
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Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Kraftstoffeinspritzventils im Längsschnitt, wobei
auch hier nur eine Seite voll dargestellt ist
und
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Fig. 3 eine Außenansicht der Ventilkörperspitze eines
weiteren Ausführungsbeispiels.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes
Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die linke Hälfte
voll gezeichnet ist. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst
einen Ventilkörper 1, der bezüglich einer Längsachse 4
rotationssymmetrisch aufgebaut ist und eine Bohrung 5
aufweist, deren Achse mit der Längsachse 4 zusammenfällt.
Durch eine erste Verstärkung 22 ist die Bohrung 5 an ihrem
brennraumseitigen Ende verengt, so dass an der Innenwand der
Bohrung 5 eine Konusfläche 26 und ein im Durchmesser
verringerter Zylinderabschnitt 24 gebildet ist. Die erste
Verstärkung 22 des Ventilkörpers 1 ist in der Fig. 1 durch
eine gestrichelte Linie verdeutlicht. An den
Zylinderabschnitt 24 schließt sich ein konischer Ventilsitz
8 an, der das brennraumseitige Ende der Bohrung 5 bildet.
Vom Ventilsitz 8 geht wenigstens ein Einspritzkanal 18 ab,
der den Ventilkörper 1 durchdringt und direkt in den
Brennraum der Brennkraftmaschine mündet. In der Bohrung 5
ist eine kolbenförmige Ventilnadel 3 längsverschiebbar
angeordnet, wobei zwischen der Ventilnadel 3 und der Wand
der Bohrung 5 ein Druckraum 7 ausgebildet ist, der über
einen in der Zeichnung nicht dargestellten Zulaufkanal mit
Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Die Ventilnadel
3 weist auf Höhe der Konusfläche 26 eine Druckschulter 6 auf
und geht anschließend in einen verjüngten Abschnitt 103
über, an den sich eine konische Ventildichtfläche 10
anschließt. Die brennraumseitige Spitze der Ventilnadel 3
wird von einer Konusfläche 14 gebildet, die von der
Ventildichtfläche 10 durch eine Ringnut 12 getrennt ist.
Durch entsprechende Öffnungswinkel der Konusflächen an der
Ventilnadelspitze und des konischen Ventilsitzes 8 kann
erreicht werden, dass die Kante am Übergang der Ringnut 12
zur Ventildichtfläche 10 als Dichtkante fungiert, die bei
Anlage der Ventilnadel 3 am Ventilsitz 8 zuerst an diesem
anliegt. Durch elastische Verformung der Ventilnadel 3 und
des Ventilkörpers 1 im Bereich des Ventilsitzes 8 liegt die
Ventilnadel 3 schließlich in ihrer Schließstellung mit einem
Großteil der Ventildichtfläche 10 am Ventilsitz 8 an.
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Die Ventilnadel 3 wirkt mit dem Ventilsitz 8 zur Steuerung
der Einspritzkanäle 18 zusammen. Die Ventilnadel 3 wird
durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung
mit einer Schließkraft, beispielsweise durch eine
vorgespannte Feder, in Richtung auf den Ventilsitz 8
beaufschlagt, so dass sie mit der Ventildichtfläche 10 am
Ventilsitz 8 anliegt. Hierdurch werden die Einspritzkanäle
18, von denen in der Regel mehrere über den Umfang des
Ventilkörpers 1 verteilt angeordnet sind, gegen den
Druckraum 7 verschlossen. Soll Kraftstoff in den Brennraum
eingespritzt werden, so wird Kraftstoff unter Einspritzdruck
in den Druckraum 7 eingeleitet, so dass dort der Druck
beträchtlich ansteigt, je nach Typ des
Kraftstoffeinspritzventils auf 100 MPa und mehr. Durch die hydraulische Kraft
auf die Ventilnadel 3 ergibt sich eine Kraft, die der
Schließkraft entgegengerichtet ist. Sobald sich eine
resultierende Kraft ergibt, die vom Ventilsitz 8
weggerichtet ist, hebt die Ventilnadel 3 vom Ventilsitz 8
ab, so dass Kraftstoff aus dem Druckraum 7 zwischen der
Ventildichtfläche 10 und dem Ventilsitz 8 den
Einspritzkanälen 18 zufließen kann. Bei einer Verringerung
der Kraftstoffzufuhr in den Druckraum 7 nimmt der
Kraftstoffdruck dort wieder ab. Schließlich überwiegt wieder
die Schließkraft auf die Ventilnadel 3 und diese gleitet
zurück in ihre Schließstellung.
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Durch den steigenden Druck im Druckraum 7 ergibt sich eine
leichte Aufweitung des Ventilkörpers 1 im Bereich des
Ventilsitzes 8 und des Zylinderabschnitts 24. Die
Ventilnadel 3 hingegen bleibt in ihrer Form praktisch
unverändert, da sie massiv ausgeführt ist. Es ändert sich
also die Form des Ventilkörpers 1 im Bereich des
Ventilsitzes 8 leicht, so dass es zu einer leichten Bewegung
des Ventilsitzes 8 relativ zur Ventildichtfläche 10 kommt,
was mit der Zeit zu Verschleiß in diesem Bereich führt. Auch
durch das Auftreffen der Ventilnadel 3 auf den Ventilsitz 8
ergeben sich Schwingungen des Ventilkörpers 1, die zu einer
Relativbewegung von Ventildichtfläche 10 und Ventilsitz 8
führen. Um diesen Effekt zu mindern ist der Ventilkörper 1
im Bereich des Ventilsitzes 8 durch eine zweite Verstärkung
23 verdickt, so dass sich eine größere Stabilität ergibt und
damit eine verminderte Aufweitung. Dies ist auch der Effekt
der ersten Verstärkung 22, die eine Aufweitung des
Ventilkörpers 1 im Bereich des brennraumseitigen Endes der
Bohrung 5 vermindert. Es kann hierbei auch vorgesehen sein,
dass entweder nur die erste Verstärkung 22 oder nur die
zweite Verstärkung 23 ausgebildet ist.
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Die Wandstärke des Ventilkörper 1 im Bereich des
Ventilsitzes 8 ist an der Stelle, an der der Durchstoßpunkt
30 der Längsachse 4 liegt, gleich einer Dicke h0. In dem
Bereich, in dem die Ventildichtfläche 10 der Ventilnadel 3
auf dem Ventilsitz 8 aufliegt, ist der Ventilkörper 1 durch
die zweite Verstärkung 23 verdickt, so dass sich senkrecht
zur Ventildichtfläche 8 eine Wandstärke h1 ergibt, die
wenigstens einen Faktor 1, 2 über der Wandstärke h0 liegt.
Eine feste Obergrenze für das Verhältnis der Wandstärken h0
und h1 gibt es nicht, jedoch dürfte bei einem Verhältnis
h1/h0 von etwa 2,0 eine sinnvolle Obergrenze liegen. Absolut
sind die Wandstärken im Bereich des Durchstoßpunktes 30 etwa
h0 = 1,0 mm, so dass die Wandstärke h1 um wenigstens 0,2 mm
verdickt ist. Ebenso verhält es sich mit den Wandstärken im
Bereich der ersten Verstärkung 22. Die Wandstärke H1 im
Bereich der ersten Verstärkung 22 ist gegenüber der
Wandstärke H0 des angrenzenden Wandbereichs um wenigstens
einen Faktor 1,2 größer, also ein Verhältnis von
H1/H0 ≥ 1,2.
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In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt.
Der Ventilkörper 1 ist wieder im Längsschnitt gezeigt, wobei
nur eine Hälfte des rotationssymmetrischen Ventilkörpers 1
gezeichnet ist. Die Ventilnadel 3 weist statt einer Ringnut
und einer Konusfläche nur eine einzelne konische
Ventildichtfläche 10 auf, die durch den Anpressdruck der
Schließkraft in den konischen Ventilsitz 8 gedrückt wird.
Der Ventilsitz 8 ist durch eine zweite Verstärkung 23
verdickt, deren Anteil am Ventilkörper 1 durch eine
gestrichelte Linie verdeutlicht ist. Die Wandstärke h1 im
Bereich der Einspritzkanäle 18 ist auch hier um wenigstens
einen Faktor 1,2 größer als die Wandstärke h0 am
Durchstoßpunkt 30 der Längsachse 4. Mit zunehmender
Wandstärke h1 verlängert sich entsprechend die Länge der
Einspritzkanäle 18, was jedoch nur begrenzt möglich ist: Ist
der Einspritzkanal 18 zu lang, so wird der Kraftstoffstrom
bei der Einspritzung zu stark gedrosselt und der effektiv
wirksame Einspritzdruck vermindert sich. Um dies zu
vermeiden sind im Ventilkörper 1 von außen Ausnehmungen 20
ausgebildet, die als Kegelsenkung ausgeführt sind und in die
jeweils ein Einspritzkanal 18 mündet. Die wirksame Länge der
Einspritzkanäle 18 ist somit geringer, da der Öffnungswinkel
der Kegelsenkung 20 so groß ist, dass der austretende
Einspritzstrahl nicht die Wand der Kegelsenkung 20 berührt.
Statt einer Kegelsenkung 20 mit einer streng konischen
Außenwand sind auch andere Formen denkbar, beispielsweise
zylindrische Ausnehmungen, die einen genügend großen
Durchmesser aufweisen. Die Ausbildung der Kegelsenkungen 20
kann beispielsweise durch Bohren oder Elektroerodieren
geschehen.
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In Fig. 3 ist eine Außenansicht der brennraumseitigen
Spitze des Ventilkörpers 1 eines weiteren
Ausführungsbeispiels dargestellt. Statt verschiedener
Ausnehmungen 20 ist hier nur eine einzige Ausnehmung in Form
einer Ringnut 32 ausgebildet, die den Ventilkörper 1 auf
seinem gesamten Umfang umgibt und in die sämtliche
Einspritzkanäle 18 münden. Der Querschnitt der Ringnut 32
ist so bemessen, dass auch hier die Einspritzstrahlen nicht
die Wand der Ringnut 32 berühren.