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Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil
für Brennkraftmaschinen
aus, wie es aus der Schrift
DE 190 31 264 A1 bekannt ist. Das Kraftstoffeinspritzventil
umfasst einen Ventilkörper,
in dem in einer Bohrung eine kolbenförmige Ventilnadel längsverschiebbar
angeordnet ist. Die Ventilnadel weist an ihrem brennraumseitigen
Ende eine Ventildichtfläche
auf, welche auch eine Konusfläche
umfasst. Die Ventilnadel wirkt mit ihrer Ventildichtfläche mit
einem konischen Ventilsitz zusammen und zwar in der Weise, dass
bei vom Ventilsitz abgehobener Ventilnadel Kraftstoff aus einem
Druckraum zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz hindurch
zu wenigstens einer Einspritzöffnung
strömt.
Ist die Ventilnadel in Anlage am Ventilsitz, so wird dieser Zustrom
von Kraftstoff zu den Einspritzöffnungen
unterbrochen.
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Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil
weist hierbei insbesondere den Nachteil auf, dass es zwischen der
Ventildichtfläche
und dem Ventilsitz zu einer übermäßigen Reibung
und damit zu einem hohen Verschleiß kommen kann, was die Lebensdauer
des Kraftstoffeinspritzventils erheblich beeinträchtigt. Bei der Schließbewegung
der Ventilnadel, also bei deren Bewegung in Anlage am Ventilsitz,
muss der Kraftstoff, der sich zwischen der Ventildichtfläche und
dem Ventilsitz befindet, zuerst verdrängt werden. Da sowohl der Ventilsitz
als auch die Ventildichtfläche
aufgrund ihrer glatten Oberfläche
ein leichtes Abfließen des
verdrängten
Kraftstoffs begünstigen,
schlägt
die Ventilnadel relativ hart auf dem Ventilsitz auf, wodurch während der
Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils ein übergroßer Verschleiß in diesem
Bereich auftreten kann.
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Ein weiterer Mechanismus für erhöhten Verschleiß zwischen
Ventilsitz und Ventildichtfläche,
der bei geschlossenem Kraftstoffeinspritzventil auftritt, beruht
auf Druckschwingungen des Ventilkörpers im Bereich des Ventilsitzes.
Dies kommt dadurch zustande, dass der Kraftstoff, der zwischen der
Ventildichtfläche
und dem Ventilsitz hindurch zu den Einspritzöffnungen fließt, durch
das Schließen
der Ventilnadel abrupt abgestoppt wird. Die kinetische Energie des
Kraftstoffs wird in Kompressionsarbeit umgewandelt, so dass ein
Druckstoß erzeugt
wird, der eine erst nach und nach abklingende Druckwelle auslöst. Die
Druckwelle bewirkt hierbei ein periodisches Aufweiten des Ventilkörpers im
Bereich des Ventilsitzes und damit eine leichte Relativbewegung
vom Ventilsitz und Ventilnadel, was mit der Zeit zu einem erhöhten Verschleiß im Ventilsitzbereich
führt.
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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 der Verschleiß zwischen
Ventilsitz und Ventildichtfläche
mit einfachen Mitteln erheblich reduziert wird. Hierzu umfasst die
Ventildichtfläche
wenigstens eine Konusfläche,
an der mehrere Vertiefungen über den
Umfang verteilt ausgebildet sind, die eine nicht konstante Tiefe
aufweisen. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass derar tige Vertiefungen
am Ventilsitz oder sowohl an der Konusfläche der Ventildichtfläche als
auch am Ventilsitz ausgebildet sind. Der durch die Schließbewegung
der Ventilnadel verdrängte
Kraftstoff kann durch die Vertiefungen nicht mehr so schnell abfließen, da
diese eine Verwirbelung der Strömung
verursachen. Hierdurch verbleibt zwischen der Ventildichtfläche und
dem Ventilsitz ein Kraftstoffpolster, welches das Aufschlagen der
Ventilnadel auf dem Ventilsitz dämpft.
Durch eine nicht konstante Tiefe der Vertiefungen lässt sich
diese Verwirbelung optimieren, so dass eine relativ kleine absolute
Tiefe der Vertiefungen ausreicht, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
Darüber
hinaus bewirken die Vertiefungen bei geschlossenem Kraftstoffeinspritzventil, dass
mehr Kraftstoff zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz verbleibt
und so stets ein ausreichender Schmierfilm vorhanden ist, der bei
Druckschwingungen im Bereich des Ventilsitzes den Verschleiß zwischen
Ventildichtfläche
und Ventilsitz deutlich vermindert.
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Durch die Ausgestaltungen gemäß den Unteransprüchen sind
vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung möglich.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist
zumindest ein Teil der Vertiefungen dreieckförmig ausgebildet. Besonders
vorteilhaft ist hierbei die Ausbildung von gleichschenkligen Dreiecken,
wobei die Tiefe der Vertiefungen an. der Spitze des gleichschenkligen
Dreiecks am geringsten und an der Grundseite am höchsten ist.
Die Spitze des Dreiecks weist hierbei in vorteilhafter Weise entweder
in Strömungsrichtung
des Kraftstoffs oder entgegen der Strömungsrichtung, je nachdem,
wo die Vertiefung auf der Ventildichtfläche angebracht ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist
zumindest ein Teil der Vertiefungen als Trapez ausgebildet oder
hat die Form eines Langlochs. Beide Formen haben sich als vorteilhaft
erwiesen, um den gewünschten
Grad an Verwirbelung im Bereich des Ventilsitzes bzw. der Ventildichtfläche zu erreichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist
der Boden der Vertiefungen eben ausgebildet und weist gegenüber der
Umgebung der Vertiefung eine Neigung auf. Es kann aber auch vorteilhaft
sein, den Boden der Vertiefungen gewölbt auszubilden, was mit Hilfe
moderner Fertigungstechniken, insbesondere der Bearbeitung mit einem
Laser,. ohne weiteres möglich
ist. So lässt
sich die Verwirbelung zusätzlich durch
eine entsprechende Formgebung des Bodens optimieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnung
entnehmbar.
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In der Zeichnung sind verschiedene
Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt. Es zeigt
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1 ein
Kraftstoffeinspritzventil in seinem wesentlichen Bereich im Längsschnitt,
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2 eine
Vergrößerung des
mit II bezeichneten Ausschnitts von 1,
wobei exemplarisch verschiedene Vertiefungen an der Ventildichtfläche ausgebildet
sind,
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3 eine
Vergrößerung einer
dreieckförmigen
Vertiefung,
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3b einen
Querschnitt durch die Vertiefung,
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4a, 4b,
4c,
4d und
4e zeigen weitere Ausführungsbeispiele
von Vertiefungen, insbesondere weitere Ausgestaltungen der Bodenfläche.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Kraftstoffeinspritzventil in seinem wesentlichen Ausschnitt
im Längsschnitt
dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper 1 auf,
in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist. Die Bohrung 3 wird
an ihrem brennraumseitigen Ende von einem konischen Ventilsitz 9 begrenzt,
von dem mehrere Einspritzöffnungen 11 abgehen
und den Ventilsitz 9 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine
verbinden. In der Bohrung 3 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar
angeordnet, die mit einem geführten
Abschnitt 15 dichtend im brennraumabgewandten Abschnitt
der Bohrung 3 geführt
ist. Die Ventilnadel 5 verjüngt sich, ausgehend vom geführten Abschnitt 15,
dem Brennraum zu unter Bildung einer Druckschulter 13 und
geht an ihrem brennraumseitigen Ende in eine im wesentlichen konische
Ventildichtfläche 7 über. Zwischen
der Wand der Bohrung 3 und der Ventilnadel 5 verbleibt ein
ringkanalförmiger
Druckraum 19, der auf Höhe der
Druckschulter 13 radial erweitert ist. In diese radiale
Erweiterung des Druckraums 19 mündet ein im Ventilkörper 1 verlaufender
Zulaufkanal 25, über
den der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befällt werden
kann. Die Ventilnadel 5 wird an ihrem brennraumseitigen
Ende von einer Schließkraft
beaufschlagt, die die Ventilnadel 5 in Richtung des Ventilsitzes 7 drückt. Die
Schließkraft
kann beispielsweise durch eine Feder oder eine hydraulische Vorrichtung
erzeugt werden und kann zeitlich variabel oder auch konstant sein.
Die Bewegung der Ventilna del 5 erfolgt durch das Verhältnis zweier
Kräfte,
nämlich zum
einen der Schließkraft
auf das brennraumabgewandte Ende der Ventilnadel 5 und
zum anderen durch hydraulische Kräfte auf die Druckschulter 13 und
auf Teile der Ventildichtfläche 7,
die der Schließkraft
entgegengerichtet sind. Überwiegen
die hydraulischen Kräfte,
so bewegt sich die Ventilnadel 5 mit ihrer Ventildichtfläche 7 vom
Ventilsitz 9 weg und Kraftstoff kann aus dem Druckraum 19 zwischen
der Ventildichtfläche 7 und
dem Ventilsitz 9 hindurch zu den Einspritzöffnungen 11 fließen, von
wo der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Überwiegt
hingegen die Schließkraft
auf die Ventilnadel 5, sei es, dass die Schließkraft erhöht wird
oder dass die hydraulische Kraft durch eine Drosselung der Kraftstoffzufuhr
im Druckraum 19 absinkt, so fährt die Ventilnadel 5 wieder
zurück
in Anlage an den Ventilsitz 9, so dass eine weitere Einspritzung
von Kraftstoff durch die Einspritzöffnungen 11 unterbrochen
wird.
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2 zeigt
eine Vergrößerung des
mit IT bezeichneten Ausschnitts von 1.
Die Ventildichtfläche 7 umfasst
eine erste Konusfläche 30 und
eine zweite Konusfläche 32,
die voneinander durch eine Ringnut 21 getrennt sind. Der Öffnungswinkel
der ersten Konusfläche 30 ist
hierbei kleiner als der Öffnungswinkel
des konischen Ventilsitzes 9, während die zweite Konusfläche 32 einen Öffnungswinkel
aufweist, der größer als
der Öffnungswinkel
des Ventilsitzes 9 ist. Am Übergang der ersten Konusfläche 30 zur
Ringnut 21 ist eine erste Dichtkante 23 ausgebildet
und am Übergang
der Ringnut 21 zur zweiten Konusfläche 32 eine die zweite
Dichtkante 24. In Schließstellung des Kraftstoffeinspritzventils,
also wenn die Ventilnadel 5 am Ventilsitz 9 aufliegt,
kommt sowohl die erste Dichtkante 23 als auch die zweite Dichtkante 24 bedingt
durch eine leichte elastische Verformung von Ventilnadel 5 bzw.
Ventilkörper 1 am Ventilsitz 9 zur
Anlage, wobei die Flächenpressung im
Bereich der ersten Dichtkante 23 höher ist als im Bereich der
zweiten Dichtkante 24. Deshalb hebt bei der Öffnungshubbewegung
der Ventilnadel 5 zuerst die zweite Dichtkante 24 vom
Ventilsitz 9 ab und erst danach die erste Dichtkante 23.
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Auf der ersten Konusfläche 30 und
auf der zweiten Konusfläche 32 sind
in 2 mehrere Vertiefungen 40 ausgebildet,
die hier exemplarisch in verschiedenen Formen ausgeführt sind.
Welche Formen der Vertiefungen 40 jeweils gewählt wird
und wie viele Vertiefungen 40 in welcher Orientierung auf
den Konusflächen 30, 32 angeordnet
sind, hängt
von den Strömungsverhältnissen
im einzelnen Kraftstoffeinspritzventil ab. Auf der ersten Konusfläche 30 ist
eine dreieckförmige
Vertiefung 140 ausgebildet, die die Form eines gleichschenkligen
Dreiecks hat. Die Spitze der dreieckförmigen Vertiefung 140 weist
in Richtung der Einspritzöffnungen 11,
also in Strömungsrichtung
des Kraftstoffs. Die Orientierung der dreieckförmigen Vertiefung 140 kann
aber auch gedreht sein, so wie bei der dreieckförmigen Vertiefung 240, bei
der die Spitze des gleichschenkligen Dreiecks von den Einspritzöffnungen 11 wegzeigt.
Entsprechend sind auf der zweiten Konusfläche 32 zwei dreieckförmige Vertiefungen 40 dargestellt,
deren Spitzen von den Einspritzöffnungen 11 wegzeigen.
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Auf der ersten Konusfläche 30 ist
außerdem als
weiteres Ausführungsbeispiel
eine trapezförmige Vertiefung 340 gezeigt,
wobei die kurze Seite der zueinander parallelen Seiten den Einspritzöffnungen 11 zugewandt
ist. Daneben zeigt die erste Konusfläche 30 eine langlochförmige Vertiefung 440,
deren Enden gerundet und deren Seiten zueinander parallel sind. Entsprechende
Vertiefungen 40 sind auch auf der zweiten Konusfläche 32 in
verschiedener Orientierung gezeigt, wobei auch andere Orientierungen
als die hier gezeigten bei sämtlichen
Vertiefungen 140, 240, 340, 440 möglich sind.
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3a zeigt
eine dreieckförmige
Vertiefung 40, die als gleichschenkliges Dreieck mit einer Grundseite 44 und
einer Spitze 46 ausgebildet ist. Die Länge der Grundseite 44 ist
mit b und die Höhe des
gleichschenkligen Dreiecks, also der Abstand der Spitze 46 von
der Grundseite 44, ist mit a bezeichnet. 3b zeigt dieselbe Vertiefung 40 im Längsschnitt,
so dass das Höhenprofil
deutlich wird. Die Vertiefung 40 weist einen Boden 42 auf,
der eben ausgebildet ist und an der Grundseite 44 seine
maximale Tiefe t hat, während
an der Spitze 46 die Tiefe 0 mm beträgt. An verschiedenen Stellen
weist die Vertiefung 40 also eine jeweils unterschiedliche
Tiefe t auf. Durch dieses Höhenprofil
der Vertiefung 40 ergibt sich eine maximale Verwirbelung
bei recht kleiner Tiefe t, so dass die Ventilnadel 5 durch
die Vertiefungen 40 nur unwesentlich mechanisch geschwächt wird.
Die maximale Tiefe der Vertiefungen 40 beträgt weniger
als 0,2 mm, vorzugsweise weniger als 0,05 mm.
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Neben dem Tiefenprofil, das 3b zeigt, sind auch andere
Tiefenprofile möglich. 4a zeigt zum Vergleich noch
einmal den in 3b dargestellten
Verlauf der Bodenfläche 42,
bei der sich im Längsschnitt
der dreieckförmigen
Vertiefung 140 ein Keil ergibt. 4b zeigt einen anderen Verlauf der Bodenfläche 42,
bei der an der Grundseite 44 kein steiler Abfall vorgesehen
ist, sondern ebenfalls eine Anschrägung, so dass die Bodenfläche 42 aus
zwei Teilebenen mit unterschiedlicher Neigung besteht. 4c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem die Bodenfläche 42 aus
zwei schrägen
Teilstücken
mit unterschiedlicher Neigung besteht und aus einer flachen Grundfläche. 4d zeigt einen ähnlichen
Verlauf wie 4a, jedoch
ist hier die Bodenfläche 42 konkav
gewölbt
und nicht eben ist. Ebenso gewölbt
ist die Bodenfläche 42 beim
Ausführungsbeispiel
der 4e, jedoch ist die
Wölbung
hier konkav.
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Die Vertiefungen 40, wie
sie in der Zeichnung dargestellt sind, lassen sich mit verschiedenen
Verfahren einbringen. Neben dem Elektroerodieren eignet sich vor
allem die Laser-Behandlung,
bei der Vertiefungen verschiedenster Form hergestellt werden können.