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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil
für Brennkraftmaschinen
aus, wie es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 100 24 703 A1 bekannt
ist. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper auf,
in dem in einer Bohrung eine Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet
ist. Die Ventilnadel weist dabei einen kolbenförmigen Abschnitt auf und geht
an ihrem brennraumseitigen Ende in eine im wesentlichen konische
Ventildichtfläche über. Die
Ventilnadel wirkt mit ihrer Ventildichtfläche mit einem im Ventilkörper ausgebildetem
Ventilsitz zusammen und steuert dadurch die Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung.
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Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil
weist hierbei jedoch der Nachteil auf, dass die Masse der Ventilnadel
relativ groß ist,
was die Schnelligkeit der Öffnungs-
und Schließbewegung
begrenzt und große Kräfte zur
Bewegung der Nadel nötig
macht. Eine hohe Masse der Ventilnadel schränkt somit die Öffnungs-
und Schließgeschwindigkeit
des Kraftstoffeinspritzventils ein und damit den minimalen zeitlichen Abstand
zweiter Einspritzungen. Darüber
hinaus ist die bekannte Ventilnadel relativ steif, was beim Aufsetzen
der Ventilnadel auf dem Ventilsitz zu Schwingungen in der Ventilnadel
führt, die
in ihrer Folge zu einem Verschleiß zwischen der Ventildichtfläche und dem
Ventilsitz beitragen.
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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 die Längssteifigkeit
der Ventilnadel gezielt eingestellt werden kann und die Masse der
Ventilnadel gegenüber
dem Stand der Technik erheblich reduziert ist. Hierzu weist die
Ventilnadel in ihrem kolbenförmigen
Abschnitt wenigstens zwei Querbohrungen auf. Durch die Reduzierung
der Masse der Ventilnadel kann bei unverändertem Material eine größere Dynamik
der Ventilnadel erreicht werden und damit ein schnelleres Öffnen und
Schließen
des Kraftstoffeinspritzventils. Dies macht schnell aufeinanderfolgende
Einspritzungen möglich
und erlaubt damit auch Kraftstoffeinspritzungen, die sich in mehrere Teileinspritzungen
untergliedern. Durch die verringerte Längssteifigkeit der Ventilnadel
erreicht man zum anderen, dass die Druckschwingungen, die beim Auftreffen
der Ventilnadel auf dem Ventilsitz entstehen, durch die Ventilnadel
aufgenommen und kompensiert werden. Dadurch ergibt sich eine Verringerung
des Verschleißes
zwischen der Ventildichtfläche und
dem Ventilsitz, so dass die Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils
verlängert
wird.
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Durch die Unteransprüche sind
vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung möglich.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung sind
in der Ventilnadel mehrere Querbohrungen ausgebildet, wobei benachbarte
Querbohrungen gegeneinander um einen Winkel gedreht sind. Durch
diese Ausgestaltung der Querbohrungen wird die Längssteifigkeit reduziert, ohne
dass die Quersteifigkeit eine Vorzugsrichtung zeigt. Besonders vorteilhaft
ist hierbei, wenn der Winkel der benachbarten Querbohrungen zueinander
zumindest näherungsweise
90° beträgt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen
die Querbohrungen einen Durchmesser auf, der das 0,2- bis 0,4-fache des Durchmessers
der Ventilnadel beträgt.
Hierdurch erhält
man auf der einen Seite eine erhebliche Reduzierung des Gewichts,
auf der anderen Seite nur eine sehr geringe mechanische Schwächung der
Ventilnadel und damit eine nahezu unveränderte Belastbarkeit.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung
und der Zeichnung entnehmbar.
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Zeichnung
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In der 1 der
Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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sIn der 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
dargestellt. Ein Ventilkörper 1 ist
unter Zwischenlage einer Drosselscheibe 3 gegen einen Ventilhaltekörper 2 verspannt,
was mit Hilfe einer Spannmutter 5 geschieht, die am Ventilkörper 1 anliegt
und mit dem Ventilhaltekörper 2 verschraubt
ist. Im Ventilkörper 1 ist
eine Bohrung 8 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen
Ende von einen im wesentlichen konischen Ventilsitz 19 begrenzt
wird. Vom Ventilsitz 19 gehen mehrere Einspritzöffnungen 17 ab,
die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum
der Brennkraftmaschine münden.
In der Bohrung 8 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 10 längsverschiebbar
angeordnet, die eine Längsachse 11 aufweist
und an deren brennraumseitigen Ende eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 22 angeordnet
ist, mit der die Ventilnadel 10 mit dem Ventilsitz 19 zusammenwirkt.
Die Ventilnadel 10 weist einen Führungsabschnitt 210 auf,
mit der sie in einem Führungsabschnitt 108 der
Bohrung 8 geführt
ist. Im Führungsabschnitt 210 der
Ventilnadel 10 sind mehrere Anschliffe 34 vorgesehen,
durch die der Kraftstoff zwischen der Ventilnadel 10 und
der Wand des Führungsabschnitts 108 hindurchströmen kann.
Ausgehend vom Führungsabschnitt 210 verjüngt sich
die Ventilnadel 10 dem Ventilsitz 19 zu unter
Bildung einer Druckschulter 24 und geht in einen im Durchmesser
verringerten Schaft 110 über, der an die Ventildichtfläche 22 grenzt.
Zwischen dem Schaft 110 und der Wand der Bohrung 8 ist
ein Ringkanal 27 ausgebildet, durch den Kraftstoff den
Einspritzöffnungen 17 zufließen kann.
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Am brennraumabgewandten Ende erweitert sich
die Bohrung 8 und zu einem Federraum 25. Im Federraum 25 ist
eine Hülse 29 angeordnet,
die einen Federabschnitt 310 der Ventilnadel 10 umgibt und
in der die Ventilnadel 10 dichtend geführt ist. Der Federabschnitt 310,
der Führungsabschnitt 210 und der
Schaft 110 bilden den kolbenförmigen Abschnitt der Ventilnadel 10.
Durch die Hülse 29,
die brennraumabgewandte Stirnseite der Ventilnadel 10 und die
Drosselscheibe 3 wird ein Steuerraum 14 begrenzt,
dessen Druck mittels eines im Ventilhaltekörper 2 angeordneten
Steuerventils 15 gesteuert werden kann. Neben der Hülse 29 ist
die Ventilnadel 10 von einem Stützring 30 umgeben,
der sich an einer Schulter der Ventilnadel 10 abstützt und
zwischen dem und der Hülse 29 eine
die Ventilnadel 10 umgebende Schließfeder 32 unter Druckvorspannung
angeordnet ist. Der Federraum 25 lässt sich über einen im Ventilhaltekörper 2 und
der Drosselscheibe 3 verlaufenden Zulaufkanal 12 mit
Kraftstoff unter hohem Druck befüllen.
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Über
den Zulaufkanal 12 wird der Federraum 25 und damit
auch der Ringkanal 27 ständig mit Kraftstoff unter Einspritzdruck beaufschlagt.
Im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils ist im Steuerraum 14 ein
hoher Druck vorhanden, der die Ventilnadel 10 zusammen
mit der Kraft der Schließfeder 32 gegen
den Ventilsitz 19 drückt,
so dass die Einspritzöffnungen 17 verschlossen
werden. Soll eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgen, so wird über das
Steuerventil 15 der Steuerraum 14 entlastet. Die
hydraulische Kraft des Kraftstoffs im Federraum 14 und
im Ringkanal 27, vor allem auf die Druckschulter 24,
drückt
die Ventilnadel 10 in Richtung des Steuerraums 14 und
damit weg vom Ventilsitz 19. Dadurch fließt der Kraftstoff
aus dem Ringkanal 27 zwischen der Ventildichtfläche 22 und
dem Ventilsitz 19 hindurch zu den Einspritzöffnungen 17, durch
die der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt
wird. Der Druck im Federraum 25 bzw. im Ringkanal 27 wird
während
der Einspritzung durch nachgeführten
Kraftstoff aufrecht erhalten. Im Bereich des Führungsabschnitts 108 der Bohrung 8 fließt der Kraftstoff
durch die Anschliffe 34 hindurch, wobei der Durchflussquerschnitt
der Anschliffe 34 insgesamt wenigstens so groß ist, dass auch
bei Maximallast der Brennkraftmaschine genügend Kraftstoff in den Ringkanal 27 nachströmt, um den
Einspritzdruck dort aufrecht zu erhalten. Zum Schließen des
Kraftstoffeinspritzventils wird der Druck im Steuerraum 14 wieder
erhöht,
so dass die Ventilnadel 10 zurück in Anlage an den Ventilsitz 19 fährt.
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Beim Aufschlagen der Ventilnadel 10 auf dem
Ventilsitz 19, was aufgrund der extrem kleinen Schließzeiten
mit hoher Geschwindigkeit geschieht, kommt es zu Druckschwingungen
der Ventilnadel 10. Durch diese Druckschwingungen der Ventilnadel 10 kann
es zu Verschleiß zwischen
der Ventildichtfläche 22 und
dem Ventilsitz 19 kommen, da an dieser Stelle eine leichte
Bewegung der Ventildichtfläche 22 auf dem
Ventilsitz 19 stattfindet. Um diese Schwingungen abzudämpfen und
damit die Belastungsspitzen zu senken sind in der Ventilnadel 10 mehrere
Querbohrungen 40 ausgebildet. Durch die Querbohrun gen 40 wird
die Längselastizität der Ventilnadel 10 erhöht, so dass
die Druckschwingungen von der Ventilnadel 10 aufgenommen
und kompensiert werden, was zu einer Verminderung des Verschleißes im Bereich
des Ventilsitzes 19 führt.
Es ist insbesondere vorteilhaft, mindestens zwei Querbohrungen 40 auszubilden,
da dann das verbleibende Material zwischen den beiden Querbohrungen 40 wie
ein Cantilever wirkt und damit eine hohe Längselastizität bewirkt.
Die Querbohrungen 40 können,
wie in der 1 dargestellt,
sowohl im Bereich des Schafts 110, im Führungsabschnitt 210 und/oder
im Federabschnitt 310 angeordnet sein, also im kolbenförmigen Abschnitt
der Ventilnadel 10.
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Die Querbohrungen 40 weisen
darüber
hinaus den Vorteil auf, dass sich die Masse der Ventilnadel 10 verringert.
Für schnell
aufeinanderfolgende Einspritzvorgänge, wie sie bei modernen Common-Rail-Einspritzsystemen üblich sind,
muss die Ventilnadel 10 in sehr kurzer Zeit von der geöffneten in
die geschlossene Stellung gleiten. Je geringer die bewegte Masse
und je größer die
Kräfte
sind, desto schneller kann das Kraftstoffeinspritzventil öffnen bzw.
schließen.
Weist die Ventilnadel 10 eine relativ große Masse
auf, so müssen
große
Kräfte
wirken und entsprechend viel kinetische Energie nimmt die Ventilnadel 10 bei
ihrer Bewegung auf. Diese kinetische Energie muss beim Aufsetzen
auf dem Ventilsitz 19 abgebaut werden, was zu hohem Verschleiß im Bereich
des Ventilsitzes 19 führt.
Weist die Ventilnadel 10 hingegen eine geringe Masse auf,
so nimmt sie bei gleicher Geschwindigkeit weniger kinetische Energie
auf, so dass die Belastung beim Aufsetzen der Ventilnadel 10 auf
den Ventilsitz 19 entsprechend geringer ist.
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Die Querbohrungen 40 sind
im Schaft 110 so angeordnet, dass benachbarte Querbohrungen 40 um
einen Winkel α gegeneinander
gedreht sind. Die Querbohrungen 40 sind dabei so ausgeführt, dass sie
senkrecht zur Längsachse 11 der
Ventilnadel 10 ver laufen. Es kann jedoch auch vorgesehen
sein, dass die Querbohrungen 40 einen Winkel der von 90° verschieden
ist zur Längsachse 11 der
Ventilnadel aufweisen, wie dies bei einer Querbohrung 40 im
Bereich des Führungsabschnitts 210 angedeutet
ist. Im Bereich der Anschliffe 34 sind die Querbohrungen 40 so
ausgebildet, dass sie von einem Anschliff 34 zum gegenüberliegenden
Anschliff 34 führen.
Die benachbarte Querbohrung führt
dann entsprechend um 90° gedreht
vom nebenstehenden Anschliff 34 zum gegenüberliegenden,
falls vier Anschliffe 34 vorgesehen sind. Im Bereich des
Federraums 25 können mehrere
Querbohrungen 40 ausgebildet sein, wobei benachbarte Querbohrungen
ebenfalls um einen bestimmten Winkel α gegeneinander gedreht sind. Durch
einen geeigneten Winkel α benachbarter Querbohrungen
zueinander, vorzugsweise 90°,
wird erreicht, dass die Ventilnadel 10 in bezug auf ihre Quersteifigkeit
keine Vorzugsrichtung aufweist und nicht die Gefahr besteht, dass
die Ventilnadel 10 durch ein leichtes Ausknicken im Führungsabschnitt 108 klemmt.
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Um einerseits eine deutliche Verringerung der
Längssteifigkeit
zu erreichen, ohne dass sich eine nennenswerte mechanische Schwächung der Ventilnadel 10 ergibt,
die deren Stabilität
im Betrieb beeinträchtigen
würde,
beträgt
der Durchmesser der Querbohrungen 40 etwa das 0,2- bis
0,4-fache des Durchmessers der Ventilnadel 10 in diesem
Bereich. Insgesamt weisen die Querbohrungen 40 vorzugsweise
ein Volumen auf, bei dem die Masse der Ventilnadel 10 um
wenigstens 10 % gegenüber
der Ventilnadel 10 ohne Querbohrungen 40 reduziert
ist.