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Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil
für Brennkraftmaschinen
aus, wie es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 100 58 153 A1 bekannt
ist. Das dort dargestellte Kraftstoffeinspritzventil weist einen
Ventilkörper
auf, in dem eine Bohrung ausgebildet ist. An ihrem brennraumseitigen Ende
wird die Bohrung von einem Ventilsitz begrenzt, in dem eine erste
Einspritzöffnungsreihe
und eine brennraumseitig zu dieser angeordnete zweite Einspritzöffnungsreihe
ausgebildet sind, wobei die Einspritzöffnungen beider Einspritzöffnungsreihen
in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung ist eine
Ventilaußennadel
längsverschiebbar
angeordnet, die in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung
geführt
ist. Zwischen der Ventilaußennadel
und der Wand der Bohrung ist ein Druckraum ausgebildet, der mit
Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar
ist. An ihrem brennraumseitigen Ende weist die Ventilaußennadel
eine Ventildichtfläche
auf, mit der sie mit dem Ventilsitz zur Steuerung der ersten Einspritzöffnungsreihe
zusammenwirkt. Mittig entlang ihrer Längsachse verläuft in der
Ventilaußennadel
eine Innenbohrung, in der eine Ventilinnennadel längsverschiebbar
angeordnet ist. Die Ventilinnennadel weist an ihrem brennraumseitigen
Ende eine Dichtfläche
auf, mit der sie mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und hierbei die Öffnung der zweiten
Einspritzöffnungsreihe
steuert. Die Öffnungskraft
auf die Ventilinnennadel wird durch Druckbeaufschlagung einer Druckfläche erzeugt,
die nach dem Abheben der Ventilaußennadel vom Kraftstoffdruck
des Ringraums beaufschlagt wird.
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Wenn die Ventilaußennadel und die Ventilinnennadel
sukzessiv geöffnet
werden, fließt
nach dem Abheben der Ventilaußennadel
vom Ventilsitz Kraftstoffdruck aus dem Druckraum nach innen und
trifft dort auf die Ventilinnennadel, die bis dahin vom Druckraum
getrennt ist. Wird die gesamte Druckfläche der Ventilinnennadel jetzt
schlagartig vom Druck im Druckraum beaufschlagt, so kann es durch
diesen Kraftstoß zu
einem unerwünschten
leichten Abheben der Ventilinnennadel kommen, ehe dies vom Einspritzverlauf
her gewünscht
ist. Dies führt
zu einer unpräzisen
Einspritzung und zu einer Erhöhung
der Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine.
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass die Ventilinnennadel nicht unkontrolliert vor
dem beabsichtigten Zeitpunkt die ihr zugeordneten Einspritzöffnungen
aufsteuert. Die Öffnungskraft
auf die Ventilinnennadel baut sich nach dem Öffnen der Ventilaußennadel
erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung auf. Hierzu ist die
Druckfläche
der Ventilinnennadel über
eine Drosselverbindung mit dem Druckraum verbindbar, was zu der
genannten Verzögerung
beim Aufbau des Öffnungsdrucks
führt.
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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 Drosselverbindung als Ringspalt
zwischen der Wand der Innenbohrung und der Ventilinnennadel am brennraumseitigen
Ende der Ventilaußennadel
ausgebildet. Diese Ausbildung der Drosselverbindung lässt sich
leicht ausbilden und führt
darüber
hinaus dazu, dass die Ventilinnennadel nicht in der Innenbohrung
der Ventilaußennadel
am brennraumseitigen Ende klemmen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist
in der Ventilaußennadel
durch eine radiale Erweiterung der Innenbohrung eine Druckkammer
gebildet, in der die Druckfläche
der Ventilinnennadel angeordnet ist und die durch die Drosselverbindung
mit dem Druckraum verbindbar ist. Durch die Ausbildung der Druckkammer
lässt sich
die Größe der Druckfläche der
Ventilinnennadel in größeren Bereichen
einstellen, um die gewünschte Öffnungskraft
zu erhalten. Weiter ist es bei dieser Ausgestaltung vorteilhaft, in
der Druckkammer an der Ventilaußennadel
eine Gegendruckfläche
anzuordnen, die vom Kraftstoffdruck in der Druckkammer beaufschlagt
wird und die der Ventildichtfläche
der Ventilaußennadel
entgegen gerichtet ist. Dies weist den Vorteil auf, dass bei der Öffnungshubbewegung
der Ventilaußennadel
der volle Kraftstoffdruck des Druckraums an der Ventildichtfläche der
Ventilaußennadel
anliegt, während
in der Druckkammer noch ein niedriger Druck herrscht, so dass sich
kein Gegendruck auf die Gegendruckfläche ergibt. Bei der Schließbewegung
hingegen hat sich in der Druckkammer der Einspritzdruck des Druckraums
aufgebaut, so dass die Gegendruckfläche der Ventilaußennadel
beaufschlagt wird und die hydraulische Kraft auf die Ventildichtfläche der
Ventilaußennadel
teilweise kompensiert. Dadurch vermindert sich die Kraft in Öffnungsrichtung
auf die Ventilaußennadel,
was die Schließbewegung
der Ventilaußennadel
beschleunigt und so die Schaltzeit entscheidend verringert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des
Gegenstandes der Erfindung ist zwischen der Wand der Innenbohrung
und der Ventilinnennadel ein Rücklaufkanal
ausgebildet, der in einen im Kraftstoffeinspritzventil ausgebildeten
Leckölraum
mündet,
in dem ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht. Über diesen Rücklaufkanal
lässt sich
die Druckkammer einfach entlasten, so dass nach beendeter Einspritzung der
Kraftstoffdruck in der Druckkammer auf den Druck des Leckölraums absinkt.
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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 Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
dargestellt. Es zeigt
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1 ein
Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt,
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2 eine
Vergrößerung des
mit II bezeichneten Ausschnitts von 1 im
Bereich des Ventilsitzes,
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3 und 4 denselben Ausschnitt wie 2 in unterschiedlichen Öffnungsphasen
des Kraftstoffeinspritzventils und
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5 dieselbe
Ansicht wie 4 eines
geänderten
Ausführungsbeispiels.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper 1 auf,
der mittels einer Spann mutter 3 gegen einen in der Zeichnung
nicht dargestellten Ventilhaltekörper gepresst
wird. Im Ventilkörper 1 ist
eine Bohrung 5 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen
Ende von einem konischen Ventilsitz 18 begrenzt wird. Vom
Ventilsitz 18 geht eine erste Einspritzöffnungsreihe 20 und
eine zum Brennraum hin angeordnete zweite Einspritzöffnungsreihe 22 ab.
In Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in der Brennkraftmaschine
münden
beide Einspritzöffnungsreihen 20, 22 in
den Brennraum der Brennkraftmaschine. In der Bohrung 5 ist
eine kolbenförmige
Ventilaußennadel 8 angeordnet,
die in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung 5 geführt ist.
Zum Ventilsitz 18 hin verjüngt sich die Ventilaußennadel 8 unter
Bildung einer Druckschulter 12 und geht an ihrem brennraumseitigen
Ende in eine Dichtfläche 25 über. Zwischen
der Ventilaußennadel 8 und
der Wand der Bohrung 5 ist ein Druckraum 14 ausgebildet,
der auf Höhe
der Druckschulter 12 radial erweitert ist. In die radiale
Erweiterung des Druckraums 14 mündet ein im Ventilhaltekörper 1 verlaufender
Zulaufkanal 16, der von einer Kraftstoffhochdruckquelle
Kraftstoff unter hohem Druck dem Druckraum 14 zuführt. Die Ventilaußennadel 8 weist
eine Innenbohrung 11 auf, in der eine Ventilinnennadel 10 längsverschiebbar geführt ist.
Die Ventilinnennadel 10 weist an ihrem brennraumseitigen
Ende eine Dichtfläche 42 auf,
mit der sie, ebenso wie die Ventilaußennadel 8 mit ihrer Dichtfläche 35,
am Ventilsitz 18 aufliegt. Die Ventilaußennadel 8 und die
Ventilinnennadel 10 werden an ihrem brennraumabgewandten
Ende jeweils separat von einer Schließkraft beaufschlagt, die die
jeweilige Ventilnadel 8, 10 in Richtung des Ventilsitzes 18 drückt. Die
Schließkraft
kann hierbei beispielsweise über
Federn oder über
hydraulische Vorrichtungen erzeugt werden.
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In 2 ist
eine Vergrößerung des
mit II bezeichneten Ausschnitts von 1 dargestellt.
Die Ventilaußennadel 8 weist
an ihrem brennraumseitigen Ende eine Konusfläche 24 und eine sich
daran anschließende,
ebenfalls konische Ventildichtfläche 35 auf.
Durch den unterschiedlichen Öffnungswinkel der
Konusfläche 24 und
der Ventildichtfläche 35 ist an
deren Übergang
eine erste Dichtkante 36 ausgebildet, die zur Abdichtung
des Druckraums 14 gegen die erste Einspritzöffnungsreihe 20 dient,
wenn die Ventilaußennadel 8 am
Ventilsitz 18 anliegt. Die konische Ventildichtfläche 35 weist
einen Öffnungswinkel auf,
der geringfügig
kleiner ist, als der Öffnungswinkel
des konischen Ventilsitzes 18. Dadurch kommt bei der Schließbewegung
der Ventilaußennadel 8 auf den
Ventilsitz 18 zu zuerst das brennraumseitige Ende der Ventildichtfläche 35 am
Ventilsitz 18 zur Anlage, wobei dieses Ende als zweite
Dichtkante 38 ausgebildet ist. Erst nach einer leichten
Verformung der Ventildichtfläche 35 kommt
auch die erste Dichtkante 36 am Ventilsitz 18 zur
Anlage, so dass die erste Einspritzöffnungsreihe 20 sowohl
gegen den Druckraum 14, als auch gegenüber dem Bereich des Ventilsitzes 18,
der sich stromabwärts
der ersten Einspritzöffnungsreihe 20 befindet,
abdichtet. Damit eine ausreichende Anpresskraft an der ersten Dichtkante 36 und
der zweiten Dichtkante 38 gewährleistet ist, ist zwischen
diesen beiden Dichtkanten 36, 38 eine Ringnut 40 an
der Ventildichtfläche 35 ausgebildet,
die auf Höhe
der ersten Einspritzöffnungsreihe 20 verläuft. Die
Tiefe der Ringnut 40 ist gering, da sich ein großes Volumen
in diesem Bereich ungünstig
auf die Kohlenwasserstoffemissionen der Brennkraftmaschine auswirkt.
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Die Ventilinnennadel 10 ist
mit einem gewissen Spiel in der Innenbohrung 11 angeordnet,
so dass zwischen der Ventilinnennadel 10 und der Wand der
Innenbohrung 11 ein Rücklaufkanal 28 ausgebildet
ist, der einen kreisringförmigen
Querschnitt aufweist und am brennraumabgewandten Ende der Ventilnadeln 8, 10 in
einen in der Zeichnung nicht dargestellten Leckölraum mündet, in dem stets ein niedriger
Kraftstoffdruck vorhanden ist.
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Im brennraumseitigen Endbereich weist
die Ventilinnennadel 10 einen Führungsabschnitt 25 auf, der
eine radiale Erweiterung der Ventilinnennadel 10 darstellt
und für
eine Führung
der Ventilinnennadel 10 in der Innenbohrung 11 sorgt.
Zum brennraumseitigen Ende der Ventilinnennadel 10 hin
verjüngt
sich der Führungsabschnitt 25 unter
Bildung einer Druckschulter 30 und geht am brennraumseitigen
Ende in eine konische Dichtfläche 42 über. Am Übergang
der Ventilinnennadel 10 zur Dichtfläche 42 ist eine umlaufende
Dichtkante 44 ausgebildet, die in Schließstellung
der Ventilinnennadel 10, d.h. wenn diese in Anlage am konischen
Ventilsitz 18 ist, an diesem zur Anlage kommt. Dadurch
wird die zweite Einspritzöffnungsreihe 22 gegen
den Druckraum 14 verschlossen, so dass kein Kraftstoff
aus der zweiten Einspritzöffnungsreihe 22 austreten
kann.
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Die Innenbohrung 11 der
Ventilaußennadel 8 verjüngt sich
zu ihrem brennraumseitigen Ende hin unter Bildung einer Ringschulter 34,
die so angeordnet ist, dass sie der Druckschulter 30 der
Ventilinnennadel 10 gegenüberliegt. Durch die Druckschulter 30, die
Ringschulter 34, die Wand der Innenbohrung 11 und
die Ventilnadel 10 wird eine Druckkammer 27 begrenzt,
die über
einen Ringspalt 32 mit dem Ventilsitz 18 verbunden
ist, wobei der Ringspalt 32 zwischen der Ventilinnennadel 10 und
der Innenbohrung 11 verläuft. Über einem Restspalt 48 zwischen
dem Führungsabschnitt 25 und
der Wand der Innenbohrung 11 ist die Druckkammer 27 darüber hinaus
gedrosselt mit dem Rücklaufkanal 28 verbunden.
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Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils
ist wie folgt: Bei Kraftstoffeinspritzsystemen, die nach dem sogenannten
Common Rail-Prinzip arbeiten, liegt im Druckraum 14 stets
ein hoher Kraftstoffdruck an, der dem Einspritzdruck entspricht.
Auf die Ventilaußennadel 8 und
die Ventilinnen nadel 10 wirkt jeweils eine Schließkraft,
die so groß ist,
dass beide Ventilnadeln 8, 10 in Anlage am Ventilsitz 18 gehalten
werden, wodurch die Einspritzöffnungsreihen 20, 22 verschlossen
sind. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil
wird zuerst nur ein Teil der Kraftstoffeinspritzöffnungen aufgesteuert und erst
im weiteren Verlauf der Einspritzung sämtliche Einspritzöffnungen.
Hierzu wird die Schließkraft
auf die Ventilaußennadel 8 reduziert,
so dass die hydraulischen Kraft auf die Druckschulter 12 und
auf die Konusfläche 24 der
Ventilaußennadel 8 größer ist
als die Schließkraft.
Hierdurch bewegt sich die Ventilaußennadel 8 vom Ventilsitz 18 weg,
so dass jetzt Kraftstoff aus dem Druckraum 14 zur ersten
Einspritzöffnungsreihe 20 fließen kann,
von wo der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Die Ventilinnennadel 10 wird durch die Schließkraft und
durch das Fehlen einer entsprechenden Öffnungskraft in ihrer Schließstellung
gehalten. Durch das Abheben der Ventilaußennadel 8 vom Ventilsitz 18 strömt der Kraftstoff
jetzt auch durch den Ringspalt 32 in die Druckkammer 27,
wobei der Ringspalt 32 so weit drosselt, dass der Druckanstieg in
der Druckkammer 27 nur mit einer gewissen Verzögerung geschieht.
Mit zunehmendem Kraftstoffdruck in der Druckkammer 27 baut
sich eine hydraulische Kraft auf die Druckschulter 30 auf,
die der Schließkraft
auf die Ventilinnennadel 10 entgegen gerichtet ist. Sobald
die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 30 die Schließkraft auf
die Ventilinnennadel 10 übersteigt, öffnet auch die Ventilinnennadel 10 und
hebt mit ihrer Dichtkante 44 vom Ventilsitz 18 ab,
so dass jetzt auch Kraftstoff durch die zweite Einspritzöffnungsreihe 22 in
den Brennraum eingespritzt wird. Dieser geöffnete Zustand, der in 4 dargestellt ist, wird
solange aufrecht erhalten, bis die gewünschte Kraftstoffmenge in den
Brennraum eingespritzt ist. Zum Schließen des Kraftstoffeinspritzventils
werden die Schließkräfte auf
die Ventilinnennadel 10 und die Ventilaußennadel
8 erhöht, bis
diese Schließkräfte höher sind
als die hydraulischen Kräfte durch
den Kraftstoffdruck im Druckraum 14. Sowohl die Ventilaußennadel 8,
als auch die Ventilinnennadel 10 gleiten zurück in ihre
Schließstellung
am Ventilsitz 18 und verschließen beide Einspritzöffnungsreihen 20, 22 wieder.
Beim Aufsetzen der Ventilaußennadel 8 auf
dem Ventilsitz 18 kommt zuerst die zweite Dichtkante 38 und
anschließend
die erste Dichtkante 36 am Ventilsitz 18 zur Anlage,
so dass die erste Einspritzöffnungsreihe 20 sowohl
zum Druckraum 14 als auch zur zweiten Einspritzöffnungsreihe 22 abgedichtet
ist. Nach dem Aufsetzen der Ventilaußennadel 8 auf dem
Ventilsitz 18 ist die Druckkammer 27 vom Druckraum 14 getrennt.
Der noch immer hohe Kraftstoffdruck in der Druckkammer 27 wird
jetzt durch den Drosselspalt zwischen dem Führungsabschnitt 25 und
der Wand der Innenbohrung 11 allmählich über den Rücklaufkanal 28 entlastet,
so dass sich in der Druckkammer 27 der niedrige Kraftstoffdruck
des Leckölraums
einstellt, bis die nächste
Einspritzung des Kraftstoffeinspritzventils erfolgt.
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Die Ausbildung der Druckkammer 27 weist darüber hinaus
einen weiteren Vorteil auf. Die Öffnungsgeschwindigkeit
der Ventilaußennadel 8 hängt, neben
der Masse der Ventilaußennadel 8,
von den angreifenden Kräften
ab, bei gegebener Schließkraft also
von der druckbeaufschlagten Fläche
der Ventilaußennadel 8.
Zu Beginn der Öffnungshubbewegung
ist dies die Druckschulter 12 und die Konusfläche 24.
Hat die Ventilaußennadel 8 vom
Ventilsitz 18 abgehoben, kommt noch die hydraulische Kraft
auf die Dichtfläche 35 hinzu.
Die Ringschulter 34 wirkt dem nur sehr gering entgegen,
da der Kraftstoffdruck in der Druckkammer 27 zu Beginn
der Öffnungshubbewegung
nur gering ist, so dass diese Kraft vernachlässigbar ist. Die Ventilaußennadel 8 öffnet deshalb
sehr schnell, was für
rasch aufeinander folgende Einspritzungen unerlässlich ist. Bei Beendigung
der Einspritzung ist in der Druck kammer 27 ein hoher Kraftstoffdruck
vorhanden, der jetzt auch eine entsprechende hydraulische Kraft
auf die Ringschulter 34 ausübt. Diese Kraft kompensiert
zum Teil die hydraulische Kraft auf die Dichtfläche 35, so dass die jetzt
wieder erhöhte
Schließkraft
auf die Ventilaußennadel 8 wegen
der geringeren Gegenkraft die Ventilaußennadel 8 schneller
in ihre Schließstellung
zurück
befördert,
wodurch auch die Schließbewegung beschleunigt
wird. Durch das schnellere Öffnen
und Schließen
der Ventilaußennadel 8 lassen
sich rasch aufeinanderfolgende Einspritzungen problemlos realisieren.
Durch die vom Ventilsitz 18 beabstandete Druckschulter 30 der
Ventilinnennadel 10 ergibt sich darüber hinaus auch die Möglichkeit,
die Ventilaußennadel 8 im
Bereich der Dichtfläche 35 zu
verstärken,
was zu einer Verminderung des Verschleißes durch eine größere Auflagefläche der
Ventilaußennadel 8 am
Ventilsitz 18 führt.
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5 zeigt
dieselbe Ansicht wie 4 eines weiteren
Ausführungsbeispiels.
Die Verbindung der Druckkammer 27 mit dem Rücklaufkanal 28 ist
hier nicht oder nicht nur über
den zwischen dem Führungsabschnitt 25 und
der Wand der Innenbohrung 11 ausgebildeten Restspalt 48 hergestellt,
sondern über
mehrere Anschliffe 46, die am Führungsabschnitt 25 seitlich
ausgebildet sind. Durch diese Anschliffe 46 kann der Durchflussquerschnitt
optimiert werden, um einen raschen Druckabfall nach Beendigung der
Einspritzung zu erreichen und gleichzeitig eine präzise Führung der
Ventilinnennadel 10 in der Innenbohrung 11 zu
gewährleisten.
Die Anschliffe 46 sind hierbei nur sehr flach ausgebildet,
vorzugsweise 5–20 μm. Der Restspalt 48 kann
hier beliebig klein gewählt
werden, solange keine übermäßige Reibung zwischen
der Ventilinnennadel 10 und der Wand der Innenbohrung 11 auftritt,
da der Durchfluss des Kraftstoffs über die Anschliffe 46 sichergestellt
ist. Damit sich nach wie vor ein Druckaufbau in der Druckkammer 27 ergibt,
ist der Durchflussquerschnitt der An schliffe 46 geringer
als der Durchflussquerschnitt des Ringspalts 32.