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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. Bei einem solchen Kraftstoffeinspritzventil ist in einem Ventilkörper ein
Druckraum ausgebildet, in dem eine Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet
ist. Der Druckraum wird zum Brennraum hin durch einen konischen
Ventilsitz begrenzt, von dem eine oder mehrere Einspritzöffnungen
ausgehen, die in den Brennraum münden.
Die Ventilnadel weist an ihrem ventilsitzseitigen Ende eine im wesentlichen
konische Ventildichtfläche
auf, mit der sie mit dem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der
Einspritzöffnungen
zusammenwirkt, so dass der Kraftstoff aus dem Druckraum je nach
Stellung der Ventilnadel durch die Einspritzöffnungen eingespritzt wird. Die
Ventilnadel wird von einer Schließkraft in Richtung des Ventilsitzes
beaufschlagt, die durch eine vorgespannte Schließfeder erzeugt wird. Der Schließkraft entgegengerichtet
ist eine hydraulische Öffnungskraft,
die unter anderem auf Teile der Ventildichtfläche wirkt. Durch die Anlage
am Ventilsitz wird im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils
nicht die gesamte Ventildichtfläche
vom Kraftstoffdruck des Druckraums beaufschlagt, sondern nur bis
zu einem hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser. Dieser ist somit
eine in einer Radialebene der Längsachse
der Ventilnadel verlaufende Grenze, bis zu der der Kraftstoff die
Ventildichtfläche
beaufschlagt und zu einer entsprechenden Öffnungskraft erzeugt, die der
Schließkraft
entgegengerichtet ist. Erreicht der Druck im Druckraum einen Öffnungsdruck,
bei dem die hydraulische Öff nungskraft
die Schließkraft
kompensiert, öffnet
sich das Kraftstoffeinspritzventil. Liegt der Druck im Druckraum
unter dem Öffnungsdruck,
bleibt die Ventilnadel in ihrer Schließstellung in Anlage am Ventilsitz.
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Das
bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist hierbei jedoch den Nachteil
auf, dass der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser nicht konstant
ist. Durch den Verschleiß beim
Aufsetzen der Ventilnadel auf dem Ventilsitz gräbt sich die Ventilnadel etwas
in den Ventilsitz ein, so dass mit der Zeit eine kleinere Teilfläche der
Ventildichtfläche
vom Kraftstoffdruck beaufschlagt wird. Hierdurch steigt bei konstanter Schließkraft der Öffnungsdruck
an, da die Schließkraft
durch Beaufschlagung einer kleineren Fläche überwunden werden muss. Dies ändert das
Einspritzverhalten, insbesondere den Einspritzzeitpunkt und die
Einspritzmenge, was sich nachteilig auf den Verbrennungsvorgang
auswirkt.
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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 Öffnungsdruck über die
gesamte Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventil zumindest näherungsweise
konstant ist. Hierzu wird die Schließfeder so ausgelegt, dass die
durch die Vorspannung erzeugte Federkraft durch Relaxationsprozesse
der Schließfeder
mit der Zeit abnimmt, was die verringerte Fläche durch den wachsenden hydraulisch
wirksamen Sitzdurchmesser kompensiert.
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Durch
die weiteren Ansprüche
sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung
möglich.
Bei Injektoren, die die Schließkraft nicht
ausschließlich
durch die Federkraft, sondern zusätzlich durch den hydraulischen
Druck in einem Steuerraum aufbringen, kann die erfindungsgemäße Auslegung
der Schließfeder
ebenfalls dazu führen, dass
der Öffnungsdruck
konstant bleibt. Somit kann die Erfindung bei sämtlichen gängigen Einspritzventilen angewandt
werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der
Erfindung umgibt die Schließfeder
die Ventilnadel, was eine kompakte Bauweise ermöglicht. Die Schließfeder vollführt dabei
denselben Hub wie die Ventilnadel, so dass die Relaxation des Federmaterials
um so schneller erfolgt, je größer der
Hub der Ven tilnadel ist. Da auch der Verschleiß der Ventilnadel am Ventilsitz
und damit die Vergrößerung des
hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers um so größer ist, je größer der
Hub der Ventilnadel, passen sich diese beiden Prozesse aneinander
an. Es findet also eine zeitlich koordinierte Zunahme des hydraulisch
wirksamen Sitzdurchmessers einerseits und der Relaxation der Schließfeder andererseits statt.
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Besonders
vorteilhaft ist die Anwendung der erfindungsgemäß ausgelegten Schließfeder bei
einer Ventilnadel, deren Ventildichtfläche zwei Teilkonusflächen umfasst,
an deren Übergang
eine Dichtkante ausgebildet ist. Dies bewirkt einerseits eine gute
Abdichtung, andererseits aber auch eine große Flächenpressung in diesem Bereich
und damit einen hohen Verschleiß,
was wiederum einen rasch wachsenden hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser
zur Folge hat. Durch die Anwendung einer entsprechenden Schließfeder bleibt
der Öffnungsdruck
jedoch konstant.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nimmt die Federkraft
der vorgespannten Schließfeder
durch die Relaxation um 1 bis 10 % ab. Dies kann durch eine entsprechende
Auslegung der Schließfeder
und ein entsprechendes Federmaterial ohne größere Probleme erreicht werden
und ist im allgemeinen ausreichend, den vergrößerten hydraulisch wirksamen
Sitzdurchmesser zu kompensieren.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
dargestellt. Es zeigt
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1 einen Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
mit einer schematischen Darstellung des Brennraums,
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2 eine vergrößerte Darstellung
des mit II bezeichneten Ausschnitts von 1, wobei die Ventildichtfläche und
der Ventilsitz einer Ventilnadel im Neuzustand gezeigt sind,
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3 in derselben Darstellung
wie 2 die Ventilnadel
und der Ventilsitz mit Verschleißspuren und
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4 den zeitlichen Verlauf
des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers, der Federkraft und des Öffnungsdrucks.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst einen Ventilkörper 1, eine
Drosselscheibe 4 und einen Haltekörper 6, die mittels
einer Spannmutter 2 aufeinander gepresst werden. Im Ventilkörper 1 ist
eine Bohrung 3 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen
Ende von einem konischen Ventilsitz 13 begrenzt ist. Vom
Ventilsitz 13 gehen mehrere Einspritzöffnungen 11 aus, die in
den Brennraum 8 der Brennkraftmaschine münden. Dem
Ventilsitz 13 abgewandt erweitert sich die Bohrung 3 zu
einem Federraum 22, in den ein in der Drosselplatte 4 und
im Haltekörper 6 verlaufender Zulaufkanal 10, über den
der Federraum 22 und damit auch die Bohrung 3 mit
Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar
sind. In der Bohrung 3 ist längsverschiebbar eine Ventilnadel 5 angeordnet,
die an ihrem ventilsitzseitigen Ende eine im wesentlichen konische
Ventildichtfläche 9 aufweist,
mit der die Ventilnadel 5 mit dem Ventilsitz 13 zusammenwirkt.
Die Ventilnadel 5 wird in einem mittleren Abschnitt in
der Bohrung 3 geführt,
wobei durch mehrere Anschliffe 17 sichergestellt ist, dass
der Kraftstoff aus dem Federraum 22 durch die Anschliffe 17 in
ausreichender Menge zufließen
kann. Zwischen der Ventilnadel 5 und der Wand der Bohrung 3 ist
ein Druckraum 20 ausgebildet, dessen Druck eine Druckschulter 15 beaufschlagt,
die im Bereich des geführten
mittleren Abschnitts ausgebildet ist. Der im Druckraum 20 befindliche
Kraftstoffdruck wirkt darüber
hinaus auf Teile der Ventildichtfläche 9, so dass sich über die
Beaufschlagung der Druckschulter 15 und der entsprechenden
Teilfläche
der Ventildichtfläche 9 eine
vom Ventilsitz 13 weggerichtete Öffnungskraft auf die Ventilnadel 5 ergibt.
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Am
ventilsitzabgewandten Ende geht die Ventilnadel 5 von einer
Hülse 24 umgeben,
zwischen der und einem Federteller 30 eine Schließfeder 28 unter
Vorspannung angeordnet ist, die hier als Schraubendruckfeder ausgebildet
ist. Der Federteller 30 stützt sich auf einem Absatz an
der Ventilnadel 5 auf währen
die Hülse 24 an
der Drosselscheibe 4 anliegt, so dass durch die Vorspannung
der Schließfeder 28 eine
Schließkraft
in Richtung des Ventilsitzes 13 auf die Ventilnadel 5 ausgeübt wird.
Durch die Stirnseite 32 der Ventilnadel 5, die
Hülse 24 und
die Drosselscheibe 4 wird ein Steuerraum 26 begrenzt, der über eine
Zulaufdrossel 34, die in der Hülse 24 ausgebildet
ist, mit dem Federraum 22 bzw. dem Zulaufkanal 10 verbunden
ist. Der Federraum 22 und der Zulaufkanal 10 bilden
hierbei einen Teil des Hochruckbereichs des Kraftstoffeinspritzventils.
In der Drosselscheibe 4 ist darüber hinaus eine Ablaufdrossel 36 ausgebildet,
die den Steuerraum 26 mit einem Steuerventil 14 verbindet,
das im Haltekörper 6 angeordnet
ist und das die Ablaufdrossel 36 mit einem in der Zeichnung
nicht dargestellten Leckölraum verbinden
kann, in dem stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht. Die Zulaufdrossel 34 und
die Ablaufdrossel 36 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass
bei einer durch das Steuerventil 14 aufgesteuerten Verbindung
mehr Kraftstoff durch die Ablaufdrossel abfließt, als durch die Zulaufdrossel 34 zufließt. Dadurch
kann der Kraftstoffdruck im Steuerraum 26 abgesenkt werden,
was dementsprechend die hydraulische Schließkraft auf die Stirnseite 32 reduziert.
Der Druck im Federraum 22 bzw. im Druckraum 20 wird
durch entsprechende Zuführung
von Kraftstoff über
den Zulaufkanal 10 stets auf einem vorgegebenen, hohen
Druckniveau gehalten.
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Bei
nach wie vor hohem Druck im Druckraum 20 sind die sonstigen
Druckflächen,
also die Druckschulter 15 und die Ventildichtfläche 9,
und die Vorspannung der Schließfeder 28 so
gewählt,
dass jetzt die Öffnungskräfte auf
die Ventilnadel 5 überwiegen und
diese vom Ventilsitz 13 abhebt. Dadurch werden die Einspritzöffnungen 11 freigegeben,
und Kraftstoff strömt
aus dem Druckraum 20, zwischen Ventildichtfläche 9 und
Ventilsitz 13 hindurch, zu den Einspritzöffnungen 11 und
wird durch diese in den Brennraum 8 der Brennkraftmaschine
eingespritzt. Durch Schließen
der Ablaufdrossel 36 erhöht sich, bedingt durch den
Kraftstoffzufluss über
die Zulaufdrossel 34, der Druck im Steuerraum 26 erneut,
bis die Schließkraft ausreicht,
die Ventilnadel 5 zurück
in ihre Schließstellung
in Anlage an den Ventilsitz 13 zu bringen.
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Der
Druck, bei dem die Ventilnadel 5 entgegen der hydraulischen
Kraft im Steuerraum 26 und der Kraft der Schließfeder 28 gerade öffnet, wird
als Öffnungsdruck
poe bezeichnet. Ein konstanter poe ist dabei wichtig, um eine genau dosierte
Einspritzmenge und einen genauen Einspritzzeitpunkt steuern zu können, was
beides für
eine optimale Verbrennung unerlässlich
ist. Der Öffnungsdruck
poe hängt
entscheidend von der Teilfläche
der Ventildichtfläche
ab, die vom Kraftstoffdruck im Druckraum 20 beaufschlagt
wird. Hierzu zeigt 2 eine
vergrößerte Darstel lung
von 1 in dem mit II
bezeichneten Ausschnitt. Die Ventildichtfläche 9 umfasst eine
erste Teilkonusfläche 109 und
eine zweite Teilkonusfläche 209,
die an einer Dichtkante 38 aneinander grenzen. Der Öffnungswinkel
a1 der ersten Teilkonusfläche 109 ist
hierbei kleiner als der Öffnungswinkel
b des konischen Ventilsitzes 13, der wiederum kleiner ist als
der Öffnungswinkel
a2 der zweiten Teilkonusfläche 209.
Dadurch liegt die Ventilnadel 5 bei Anlage auf dem Ventilsitz 13 mit
der Dichtkante 38 auf, was in diesem Bereich eine hohe
Flächenpressung
und damit eine gute Abdichtung gewährleistet. Vorzugsweise ist
hierbei der Differenzwinkel d1 = b – a1 kleiner als der Differenzwinkel d2 = b – a2, so dass eine sogenannte inverse Sitzwinkeldifferenz
entsteht.
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Der
Teil der Ventildichtfläche 9,
der vom Kraftstoffdruck im Druckraum 20 beaufschlagt wird, ist
im Neuzustand des Kraftstoffeinspritzventils, der in 2 dargestellt ist, die gesamte
erste Teilkonusfläche 109.
Der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser DHyd,
der die innere Begrenzung dieses Bereichs der Ventildichtfläche 9 markiert,
fällt mit
der Dichtkante 38 zusammen. Durch das ständige Aufsetzen
der Ventilnadel 5 mit hoher Geschwindigkeit auf dem konischen
Ventilsitz 13 ergibt sich an dieser Stelle ein Verschleiß, bei dem
die Dichtkante 38 in den Ventilsitz 13 eingehämmert wird.
Dieser Zustand ist in 3 dargestellt
und zeigt, dass dann nur noch ein Teil der ersten Teilkonusfläche 109 vom
Kraftstoffdruck des Druckraums 20 beaufschlagt wird. Die Grenze,
bis zu der der Kraftstoffdruck reicht, markiert den hydraulisch
wirksamen Sitzdurchmesser DHyd, der jetzt
gegenüber
dem Neuzustand vergrößert ist. Dadurch
verringert sich die Öffnungskraft
auf die Ventilnadel 5, so dass bei gegebenem Druck im Steuerraum 26 die
Ventilnadel 5 erst bei einem höheren Öffnungsdruck poe öffnet.
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Durch
die geometrischen Verhältnisse
zwischen dem hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser DHyd,
dem Nadeldurchmesser DN an der Stirnseite
der Ventilnadel 5, dem Druck im Steuerraum pS,
dem Öffnungsdruck
poe und der Kraft F der vorgespannten Schließfeder 28 gilt
folgender Zusammenhang: DHyd 2 = DN 2·(1 – pS/poe) – 40·F/(π·poe)wobei die Durchmesser in mm, die
Drücke
in bar und die Kräfte
in N angegeben sind.
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Der
Druck im Steuerraum pS hängt einerseits von der Dimensionierung
der Zulaufdrossel 34 und der Ablaufdrossel 36 ab,
aber auch vom zugeführten Druck
im Federraum 22 bzw. Druckraum 20. Bei einem bestimmten,
durch den Zulaufkanal 10 zugeführten Druck und einem vorgegebenen Öffnungsdruck
poe kann ein sich ändernder
hydraulisch wirksamer Sitzdurchmesser DHyd nur durch eine verringerte
Federkraft F ausgeglichen werden. Dies ist in 4 schematisch dargestellt: Der hydraulisch
wirksame Sitzdurchmesser vergrößert sich
mit der Zeit ausgehend vom Anfangswert DHyd0 bis
zu einem Endwert DHyd1, der nach einiger
Zeit erreicht wird. Da die Schließfeder so ausgelegt ist, dass
ihre Vorspannung – bei
vorgegebenem Druck im Steuerraum 26 – gerade soweit abnimmt, um
den Effekt durch den hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser auszugleichen. Dadurch
bleibt der Öffnungsdruck
poe konstant.
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Der
Ausgleich des sich vergrößernden
hydraulischen Sitzdurchmessers kann nur für einen Druck pS mit
guter Genauigkeit erreicht werden. Da im Druckraum 20 – je nach
Betriebszustand – ein
unterschiedlicher Druck herrscht, wird die Schließfeder vorzugsweise
auf den Öffnungsdruck
bei Leerlauf des Brennkraftmaschine angepasst, da hier die Federkraft
eine große
Rolle spielt. Bei Volllast des Motors ist der Kraftstoffdruck im
Druckraum 20 sehr viel höher und die Kräfte entsprechend
größer, so
dass dann die Federkraft nur eine untergeordnete Rolle spielt und
ebenso die Effekte durch den vergrößerten hydraulisch wirksamen
Sitzdurchmesser.
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Üblicherweise
wird der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser soweit vergrößert, dass
eine Abnahme der Federkraft F um 1 bis 10 % ausreichend ist. Durch
geeignete Materialen der Schließfeder lässt sich
dies ohne größeren Auslegungsaufwand erreichen.
Es ist dabei wichtig, nicht nur den absoluten Betrag der Änderung
von Federkraft und hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser zu berücksichtigen,
sondern auch deren zeitlicher Verlauf, damit es nicht zu Beginn
der Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils zu Unstimmigkeiten
kommt.