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Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil
für Brennkraftmaschinen
aus, wie es beispielsweise aus der Schrift
DE 100 31 265 A1 bekannt
ist. Das dort gezeigte Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper auf,
in dem eine Ventilnadel in einer Bohrung längsverschiebbar angeordnet
ist. Die Bohrung wird zum Brennraum hin von einem Ventilsitz begrenzt,
der im wesentlichen kegelförmig ausgebildet
ist. Darüber
hinaus sind am brennraumseitigen Ende des Ventilkörpers mehrere
Einspritzöffnungen
ausgebildet, die im Bereich des Ventilsitzes in die Bohrung münden und
so eine Verbindung der Bohrung mit dem Brennraum herstellen. Die
Ventilnadel ist kolbenförmig
ausgebildet und weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine Ventildichtfläche auf,
die zwei Kegelflächen
mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln
umfasst. Zwischen den beiden Kegelflächen ist eine Dichtkante ausgebildet,
die in Schließstellung
der Ventilnadel am Ventilsitz aufliegt. Die Ventilnadel wirkt mit
ihrer Ventildichtfläche
mit dem Ventilsitz dergestalt zusammen, dass bei Anlage der Ventilnadel
am Ventilsitz die Einspritzöffnungen
verschlossen werden, während
bei vom Ventilsitz abgehobener Ventilnadel Kraftstoff den Einspritzöffnungen
aus einem zwi schen der Ventilnadel und der Wand der Bohrung ausgebildeten
Druckraum zuströmen
kann.
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Da der Kraftstoff aus dem Druckraum
unter hohem Druck steht, strömt
dieser zu Beginn der Öffnungshubbewegung
der Ventilnadel mit hoher Geschwindigkeit in den aufgesteuerten
Ringspalt zwischen Ventildichtfläche
und Ventilsitz. Zwischen der Dichtkante der Ventilnadel und dem
Ventilsitz wird der engste Querschnitt gebildet, so dass dort die Strömungsgeschwindigkeit
des Kraftstoffs maximal ist. Durch diese hohe Geschwindigkeit kann
es zu einer Ablösung
der Strömung
von der begrenzenden Wand kommen, was den Druckaufbau im Spalt zwischen
der Ventildichtfläche
und dem Ventilsitz unvorhersagbar macht. Dadurch ändert sich
auch die Öffnungsdynamik
der Ventilnadel, die durch den hydraulischen Druck auf die Ventildichtfläche entscheidend beeinflusst
wird. Besonders bei kleinen Einspritzmengen ändert sich dadurch die Einspritzmenge
vorhersagbar bei bestimmten Betriebspunkten, was eine präzise Dosierung
der Einspritzmenge unmöglich macht.
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass der Druckaufbau im Bereich der Ventildichtfläche bei
der Öffnungshubbewegung
der Ventilnadel in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine
reproduzierbar abläuft
und so stets eine genaue Dosierung der eingespritzten Kraftstoffmenge
möglich
ist. Hierzu sind an der Ventildichtfläche wenigstens zwei Ringnuten
ausgebildet, die einen zusätzlichen
turbulenten Anteil in die Kraftstoffströmung einbringen und dadurch
ein Ablösen
der Strömung
von der Umgebungswand verhindern.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen
der Erfindung sind mehrere Ringnuten auf der ersten Kegelfläche oder
auf der zweiten Kegelfläche
angeordnet, was eine Beeinflussung der Strömung sowohl vor als auch nach
der Dichtkante bewirkt. Hierdurch kann eine Ablösung wirksam verhindert werden.
Insbesondere für
den Fall, dass eine Vielzahl von Ringnuten vorhanden ist, können diese
mit einer geringen Tiefe ausgebildet werden, was auf die Strömung denselben
Effekt hat wie nur eine oder zwei tiefere Ringnuten, jedoch die
mechanische Stabilität
der Ventilnadel deutlich weniger beeinflusst.
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Besonders ist es vorteilhaft, wenn
sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten Kegelfläche Ringnuten
vorhanden sind, da hierdurch die Strömung sowohl vor als auch nach
der Dichtkante derart beeinflusst wird, dass eine Ablösung der
Strömung
wirksam verhindert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind
die Ringnuten im Querschnitt mit einem asymmetrischen Profil ausgestaltet.
Hierdurch lässt
sich die Strömungsbeeinflussung
optimieren und die gleiche Strömungsbeeinflussung
mit einer Ringnut geringerer Tiefe erreichen.
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Vorteilhaft ist weiterhin die Ausbildung
der Ringnuten als Mikronuten mit einer Tiefe von weniger als 0,1
mm. Solche Ringnuten lassen sich leicht, beispielsweise mit Hilfe
eines Lasers, in die Oberfläche der
Ventildichtfläche
einbringen und haben darüber hinaus
den Vorteil, dass sie die elastischen und sonstigen mechanischen
Eigenschaften der Ventilnadel nicht oder nur unwesentlich beeinflussen.
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In der Zeichnung sind verschiedene
Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt. Es zeigt
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1 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
des mit A bezeichneten Ausschnitts von 1,
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3 denselben
Ausschnitt wie 2, wobei
der Ventilsitz verschieden ausgebildet ist,
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4 und
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5 zeigen
weitere Ausführungsbeispiele, wobei
der gezeigte Ausschnitt gleich dem von 2 ist.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt. In einem Ventilkörper 1 ist
eine Bohrung 3 ausgebildet, die an ihrem Ende von einem
kegelförmigen
Ventilsitz 9 begrenzt wird. Am brennraumseitigen Ende des Ventilkörpers 1 sind
mehrere Einspritzöffnungen 11 ausgebildet,
die in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden und durch die Kraftstoff
in den Brennraum eingespritzt werden kann. In der Bohrung 3 ist eine
kolbenförmige
Ventilnadel 5 längsverschiebbar angeordnet,
die an ihrem brennraumseitigen Ende eine im wesentlichen kegelförmige Ventildichtfläche 7 aufweist,
mit der die Ventilnadel 5 mit dem Ventilsitz 9 zusammenwirkt.
Die Ventilnadel 5 ist mit einem geführten Abschnitt 15 in
einem Führungsabschnitt 23 der
Bohrung 3 geführt.
Ausgehend vom geführten Abschnitt 15 verjüngt sich
die Ventilnadel 5 der Ventildichtfläche 7 zu unter Bildung
einer Druckschulter 13. Zwischen der Druckschulter 13 und
der Ventildichtfläche 7 ist
zwischen der Ventilnadel 5 und der Wand der Bohrung 3 ein
Druckraum 19 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 13 radial
erweitert ist. In die radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet ein
im Ventilkörper 1 verlaufender
Zulaufkanal 25, der dem Druckraum 19 Kraftstoff
unter hohem Druck zuführt.
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Die Ventilnadel 5 wird an
ihrem brennraumabgewandten Ende von einer variablen oder konstanten
Schließkraft
beaufschlagt, die die Ventilnadel 5 gegen den Ventilsitz 9 drückt. Die
Schließkraft
wird beispielsweise durch ein Federelement, durch eine hydraulische
Kraft oder mit einer sonstigen Vorrichtung erzeugt. Durch die hydraulische
Kraft auf die Druckschulter 13 und auf Teile der Ventildichtfläche 7 ergibt
sich eine der Schließkraft
entgegengerichtete Öffnungskraft,
die vom Druck im Druckraum 19 abhängt. Überwiegt die Schließkraft,
so bleibt die Ventilnadel 5 in Anlage am Ventilsitz 9 und
die Einspritzöffnungen 11 bleiben
verschlossen. Wird die Schließkraft
abgesenkt oder der Druck im Druckraum 19 erhöht, so überwiegt
schließlich
die Öffnungskraft,
und die Ventilnadel 5 hebt mit der Ventildichtfläche 7 vom Ventilsitz 9 ab.
Dadurch wird ein Spalt zwischen der Ventildichtfläche 7 und
dem Ventilsitz 9 aufgesteuert, durch den Kraftstoff aus
dem Druckraum 19 den Einspritzöffnungen 11 zufließt und von
dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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2 zeigt
eine Vergrößerung des
mit A bezeichneten Ausschnitts von 1.
Die Ventildichtfläche 7 umfasst
zwei Kegelflächen,
wobei sich die erste Kegelfläche 30 an
den kolbenförmigen
Abschnitt der Ventilnadel 5 anschließt. Stromabwärts der
ersten Kegelfläche 30 ist
eine zweite Kegelfläche 32 ausgebildet,
die am brennraumseitigen Ende der Ventilnadel 5 in eine
Stirnfläche 42 mündet. Der Öffnungswinkel
der ersten Kegelfläche 30 ist
größer als der Öffnungswinkel
des kegelförmigen
Ventilsitzes 9, welcher wiederum größer ist als der Öffnungswinkel der
zweiten Kegelfläche 32.
Dadurch ist zwischen der ersten Kegelfläche 30 und der zweiten
Kegelfläche 32 eine
Dichtkante 34 an der Ventildichtfläche 7 ausgebildet,
die in Schließstellung
der Ventilnadel 5 am Ventilsitz 9 zur Anlage kommt.
Durch die linienförmige
Auflagefläche
der Ventilnadel 5, die sich während des Betriebs des Kraftstoffeinspritzventils
durch Verschleiß etwas
verbreitert, ist eine gute Abdichtung der Einspritzöffnungen 11 gegen
den Druckraum 19 gewährleistet.
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Auf der ersten Kegelfläche 30 sind
mehrere Ringnuten 35 ausgebildet, ebenso auf der zweiten Kegelfläche 32.
Diese Ringnuten 35 beeinflussen die Strömung des Kraftstoffs zwischen
der Ventildichtfläche 7 und
dem Ventilsitz 9 hindurch in folgender Weise: Zu Beginn
der Öffnungsbewegung
der Ventilnadel 5 ist die erste Kegelfläche 30 vom Kraftstoffdruck im
Druckraum 19 beaufschlagt, was eine entsprechende Öffnungskraft
auf die Ventilnadel 5 bewirkt. Hebt die Ventilnadel 5 nun
vom Ventilsitz 9 ab, so strömt der Kraftstoff bedingt durch
den hohen Druck im Druckraum 19 mit hoher Geschwindigkeit
in Richtung der Einspritzöffnungen 11.
Die engste Stelle des Kraftstoffstroms ist hierbei zwischen der
Dichtkante 34 und dem Ventilsitz 9 gegeben, so
dass dort die Strömungsgeschwindigkeit
am höchsten
ist und gleichzeitig der Druck auf die Ventildichtfläche 7 am niedrigsten.
Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit
kann es zu einer Ablösung
der Strömung
von den begrenzenden Wänden
des Kraftstoffstroms kommen, also insbesondere zu einer Ablösung im
Bereich der zweiten Kegelfläche 32.
Der Kraftstoff, der unmittelbar an der zweiten Kegelfläche anliegt,
bewegt sich deutlich langsamer als die Hauptströmung des Kraftstoffs, die mit
sehr hoher Geschwindigkeit mit kleinem Querschnitt in Richtung der
Einspritzöffnungen
strömt.
Durch den kleinen Querschnitt der verbleibenden Strömung bleibt
der Druckaufbau auf die zweite Kegelfläche 32 deutlich geringer
als bei einer Kraftstoffströmung,
die den gesamten Spalt zwischen dem Ventilsitz 9 und der
Ventildichtfläche 7 umfasst,
was bei gleicher Kraftstoffmenge pro Zeit eine geringere Strömungsgeschwindigkeit
und damit einen höheren
statischen Druck des Kraftstoffs bewirken würde.
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Die Einspritzmenge wird durch die
Einspritzdauer bestimmt, das heißt durch den Öffnungs-
und Schließzeitpunkt
des Kraftstoffeinspritzventils. Wie schnell die Ventilnadel 5 in
ihre Öffnungsstellung
gleitet, hängt
von den hydraulischen Öffnungskräften ab, die
auf die Druckschulter 13 und die Ventildichtfläche 7 wirken.
Durch die hydraulische Kraft auf die zweite Kegelfläche 32 ergibt
sich kurz nach dem Abheben aus der Schließstellung der Ventilnadel 5 eine
zusätzliche Öffnungskraft,
die die Öffnungsgeschwindigkeit
erhöht
und damit auch die eingespritzte Menge. Fehlt diese zusätzliche Öffnungskraft
durch die oben beschriebenen Strömungsverhältnisse,
so öffnet
die Ventilnadel 5 langsamer und bis zum Schließen der
Ventilnadel 5 ist weniger Kraftstoff eingespritzt worden.
Dieser Verlust an Einspritzmenge tritt bevorzugt bei gewissen Betriebspunkten
auf, also bei bestimmten Drücken
und abhängig
vom Hub der Ventilnadel 5, und macht sich bei kleinen Einspritzmengen
stärker
bemerkbar als bei großen
Einspritzmengen.
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Durch die Ausbildung der Ringnuten 35 auf der
ersten Kegelfläche 30 und
der zweiten Kegelfläche 32 wird
das Ablösen
der Strömung
von der Ventildichtfläche 7 unterdrückt. Eine
Ringnut 35 bewirkt für
den vorbeifließenden
Kraftstoff zuerst eine Querschnittserweiterung und an der stromabwärts gelegenen
Kante der Ringnut 35 wieder eine Querschnittsverengung,
was wie eine weitere Drosselstelle wirkt. Dadurch erhält die Strömung einen
hohen turbulenten Anteil, der für
einen definierten Druckaufbau im Bereich der zweiten Kegelfläche sorgt
und damit eine genaue Dosierung der Einspritzmenge möglich macht.
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In 3 sind
die Ringnuten 35 mit einer größeren Breite ausgebildet, die
hier beispielsweise 0,15 bis 0,25 mm beträgt. Auf der ersten Kegelfläche 30 und
auf der zweiten Kegelfläche 32 ist
jeweils eine Ringnut 35 ausgebildet, so dass die Strömung sowohl
vor als auch nach der Drosselstelle im Bereich der Dichtkante 34 zusätzlich verwirbelt
wird. In diesem Ausführungsbeispiel
gehen die Einspritzöffnungen 11 nicht
direkt vom Ventilsitz 9 ab, sondern an den Ventilsitz 9 schließt sich
ein Sackvolumen 38 an, das die brennraumzu gewandte Spitze
des Ventilkörpers 1 bildet
und von dem die Einspritzöffnungen 11 abgehen.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt.
Sowohl auf der ersten Kegelfläche 30 als auch
auf der zweiten Kegelfläche 32 ist
hier eine Ringnut 35 angeordnet, ebenso wie in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Die Ringnuten 35 haben jedoch im Querschnitt gesehen ein
asymmetrisches Profil, das heißt,
das deren Strömungswiderstand
abhängig
von der Fließrichtung
des Kraftstoffs ist, der an der Ringnut 35 vorbeiströmt. Auf
diese Weise lässt
sich eine höhere
Verwirbelung in die Strömung
einbringen, als bei einer Ringnut 35 gleicher Tiefe, die
im Querschnitt ein symmetrisches Profil aufweist.
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In 5 ist
eine weiteres Ausführungsbeispiel
dargestellt. Hier ist zwischen der ersten Kegelfläche 30 und
der zweiten Kegelfläche 32 an
der Ventildichtfläche 7 ein
Hinterschnitt 40 ausgebildet. Die Dichtkante 34 ist
hier an der Grenzlinie zwischen der ersten Kegelfläche 30 und
dem Hinterschnitt 40 ausgebildet. Auf der ersten Kegelfläche 30 sind
zwei Ringnuten 35 ausgebildet und auf der zweiten Kegelfläche 32 eine.
Obwohl durch den Hinterschnitt 40 bereits eine gewisse
zusätzliche
Verwirbelung der Strömung
stattfindet, kann durch die Ringnuten 35 eine Optimierung
der Strömungsverhältnisse
erreicht werden.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 ist die Breite B der Ringnuten
etwa 0,03 mm bis 0,1 mm, abhängig
von der Zahl der Ringnuten 35 und der Größe der Ventildichtfläche. Die
Tiefe beträgt
hierbei vorzugsweise 5 μm
bis 50 μm.
Bei den Ringnuten, wie sie in den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 gezeigt sind, ist die Breite B der
Ringnuten etwa 0,1 mm bis 0,25 mm, während der Abstand D von der
Dichtkante 34 etwa 0,1 mm beträgt.