DE10338946A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen Download PDF

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Holger Rapp
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1873Valve seats or member ends having circumferential grooves or ridges, e.g. toroidal

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil mit einem Ventilsitz (9), von dem wenigstens eine Einspritzöffnung (11) abgeht, und mit einer längsverschiebbar angeordneten Ventilnadel (10), die mit einer Ventildichtfläche (12) so mit dem Ventilsitz (9) zusammenwirkt, dass bei vom Ventilsitz (9) abgehobener Ventilnadel (10) Kraftstoff aus einem Druckraum (14) den Einspritzöffnungen (11) in einer Strömungsrichtung zufließt. Stromabwärts der Einspritzöffnungen (11) ist zwischen dem ventilsitzseitigen Ende der Ventilnadel (10) und dem Ventilsitz (9) ein Zwischenraum (55) ausgebildet. Bei Anlage der Ventilnadel (10) auf dem Ventilsitz (9) werden die Einspritzöffnungen (11) sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts verschlossen und im Kraftstoffeinspritzventil ist ein Kanal (48) ausgebildet, der den Druckraum (14) mit dem Zwischenraum (55) hydraulisch verbindet.

Description

  • Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, wie es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 100 24 703 A1 bekannt ist. Bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil ist in einem Ventilkörper eine Bohrung ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem konischen Ventilsitz begrenzt wird. Von dem konischen Ventilsitz gehen mehrere Einspritzöffnungen aus, die in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung ist eine kolbenförmige Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet, die mit ihrem brennraumseitigen Ende, das ebenfalls näherungsweise konisch ausgebildet ist, mit dem Ventilsitz zusammenwirkt. Hierdurch wird ein Druckraum, der zwischen der Ventilnadel und der Wand der Bohrung ausgebildet ist, mit den Einspritzöffnungen verbunden oder diese Verbindung unterbrochen.
  • Der Kraftstoffdruck im Druckraum, der beim Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils ständig dort anliegt, beaufschlagt auch einen Teil der Ventildichtfläche, und zwar bis zur Dichtkante, mit der die Ventilnadel auf dem Ventilsitz aufliegt. Durch die teilweise mit Kraftstoffdruck beaufschlagte Ventildichtfläche ergibt sich eine Kraft in axialer Richtung auf die Ventilnadel, die vom Ventilsitz weggerichtet ist und die so einen Teil der Öffnuungskraft ausmacht. Der Öffnungskraft entgegengerichtet ist eine Schließkraft, die beispielsweise hydraulisch auf das ventilsitzabgewandte Ende der Ventilnadel ausgeübt wird. Über das Verhältnis dieser beiden Kräfte lässt sich die Längsbewegung der Ventilnadel und damit die Kraftstoffeinspritzung steuern.
  • Hierbei weist das bekannte Kraftstoffeinspritzventil den Nachteil auf dass die hydraulische Öffnungskraft nicht konstant ist. Nach dem Abheben der Ventilnadel vom Ventilsitz wird auch die vorher vom Druckraum getrennte Teilfläche der Ventildichtfläche vom Krafstoffdruck beaufschlagt, was eine starke Zunahme der hydraulischen Öffnungskraft bewirkt. Insbesondere bei Kraftstoffeinspritzventilen, bei denen die Schließkraft über einen Piezoaktor entweder direkt oder über einen hydraulischen Übersetzer ausgeübt wird, muss diese zunehmende Öffnungskraft kompensiert werden. Dies macht es notwendig, einen größeren Piezoaktor zu verwenden, um den für den hohen Druck im Druckübersetzer notwendigen Hub zur Verfügung zu haben. Dies macht den Piezoaktor und damit das Kraftstoffeinspritzventil entsprechend groß und teuer.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die hydraulische Öffnungskraft beim Öffnungsvorgang der Ventilnadel zumindest näherungsweise konstant ist, was eine Steuerung der Schließkraft mit einem kleinen und kostengünstigen Piezoaktor ermöglicht. Hierzu ist die Ventilnadel an ihrer Ventildichtfläche so ausgebildet, dass die Einspritzöffnungen sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts bezüglich der Flussrichtung des Kraftstoffs aus dem Druckraum verschlossen werden. Der zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz verbleibende Zwischenraum, der stromabwärts der Einspritzöffnungen verbleibt, wird über einen Kanal mit dem Druckraum verbunden, so dass sich dort bei geschlossenem Kraftstoffeinspritzventil derselbe Druck wie im Druckraum einstellt. Nach dem Abheben der Ventilnadel vom Ventilsitz wird als zusätzliche Fläche nur die Fläche der Ventildichtfläche mit Kraftstoffdruck beaufschlagt, die im geschlossenen Zustand die Einspritzöffnungen überdeckt und die dann sowohl stromauf- als auch stromabwärts abgedichtet ist. Dadurch ändert sich die Öffnungskraft kaum, was ein kontrolliertes Öffnen der Ventilnadel ermöglicht.
  • Ein besonderer Vorteil ergibt eine derart ausgestaltete Ventilnadel in einem Kraftstoffeinspritzventil, bei dem die Schließkraft über einen Piezoaktor und einen hydraulischen Koppler direkt auf die ventilsitzabgewandte Stirnfläche der Ventil nadel ausgeübt wird. Bei herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventilen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist die Öffnungskraft, die durch die teilweise druckbeaufschlagte Ventildichtfläche erzeugt wird, vergleichsweise gering. Die resultierende Kraft, mit der die Ventilnadel bewegt wird, ergibt sich aus der Differenz aus Schließ- und Öffnungskraft, so dass bei einer geringen Öffnungskraft eine starke Absenkung der Schließkraft erforderlich ist, um eine für eine schnelle Bewegung der Ventilnadel ausreichende resultierende Kraft zur Verfügung zu haben. Deshalb muss der Piezoaktor bei den bekannten Kraftstoffeinspritzventilen einen großen Hub durchfahren, um den Kraftstoffdruck im Steuerraum, der die ventilsitzabgewandte Stirnfläche der Ventilnadel beaufschlagt und damit die Schließkraft erzeugt, ausreichend abzusenken. Die Längenänderung eines Piezoaktors ist im Vergleich zu seiner gesamten Länge relativ gering, so dass für einen großen Hub ein entsprechend großer Aktor erforderlich ist, der einen entsprechend großen Bauraum einnimmt. Durch die Beaufschlagung eines größeren Teils der Ventildichtfläche von Anfang an, wie es durch den erfindungsgemäßen Kanal zustande kommt, ist ein weit geringeres Druckabsenken im Steuerraum nötig, um die entsprechende Öffnungskraft auf die Ventilnadel zu erreichen. Deshalb kann der Piezoaktor deutlich kürzer ausfallen, was eine kompaktere Bauweise des gesamten Kraftstoffeinspritzventils ermöglicht.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist der Kanal in der Ventilnadel ausgebildet, was einfacher zu fertigen ist als ein beispielsweise im Ventilkörper verlaufender Kanal. Insbesondere ist es hierbei vorteilhaft, diesen Kanal als Querbohrung und als eine die Querbohrung schneidende Längsbohrung auszubilden. Dadurch lassen sich beliebige Querschnitte und damit Fließwiderstände im Kanal erreichen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kanal durch eine Schrägbohrung ausgebildet, die die Längsachse der Ventilnadel schneidet. Dadurch lässt sich der Kanal in einem einzigen Arbeitsgang herstellen, was schneller zu fertigen und damit kostengünstiger ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Kanal eine Drossel, also eine gezielt eingebrachte Engstelle ausgebildet, so dass der Zwischenraum mit dem Druckraum nur gedrosselt verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass die hydrauli sche Öffnungskraft durch Beaufschlagung der Ventildichtfläche zu Beginn des Öffnungshub sogar leicht abfällt. Dadurch ist es möglich, die Ventilnadel stabil in einer Teilöffnungslage zu halten, was zum Beispiel dann vorteilhaft sein kann, wenn eine Voreinspritzung mit einer nur geringen Kraftstoffmenge erforderlich ist. Ein variabler Hubanschlag ist dann nicht nötig.
  • Zeichnung
  • In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt
  • 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
  • 2 eine Vergrößerung von 1 im Bereich des Ventilsitzes,
  • 3 dieselbe Darstellung wie 2, wobei die Ventilnadel hier vom Ventilsitz abgehoben hat,
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel in derselben Darstellung wie 2,
  • 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Ventilnadel teilweise geschnitten dargestellt ist und das ansonsten in seiner Darstellung der 2 entspricht,
  • 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel in derselben Darstellung wie 5 und
  • 7 zeigt den Verlauf der Öffnungskraft durch die hydraulische Kraft auf die Ventildichtfläche bei verschiedenen Ausführungsbeispielen als Funktion des Nadelhubs.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Ventilkörper 2 und einen Ventilhaltekörper 5 umfasst. Der Ventilkörper 2 wird mittels einer Spannmutter 4 gegen den Haltekörper 5 gepresst, so dass beide fest miteinander verbunden sind. Im Ventilkörper 2 ist eine Bohrung 7 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 9 begrenzt wird. Vom Ventilsitz 9 gehen mehrere Einspritzöffnungen 11 ab, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum der Brennkraftma schine münden. In der Bohrung 7 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 10 längsverschiebbar angeordnet, die in einem mittleren Abschnitt der Bohrung 4 geführt ist. Am geführten Abschnitt der Ventilnadel 10 sind mehrere Anschliffe 20 ausgebildet, die einen Kraftstoffzufluss zum Ventilsitz 9 ermöglichen. Die Ventilnadel 10 weist an ihrem dem Ventilsitz 9 zugewandten Ende eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 12 auf, mit der sie mit dem Ventilsitz 9 zusammenwirkt und so die Einspritzöffnungen 11 öffnet oder verschließt. Dem Ventilsitz 9 abgewandt erweitert sich die Bohrung 7 zu einem Federraum 22, in den ein im Haltekörper 5 und im Ventilkörper 2 verlaufender Zulaukanal 15 mündet. Über den Zulaufkanal 15 lässt sich der Federraum 22 und durch die hydraulische Verbindung über die Anschliffe 20 auch der zwischen der Ventilnadel 10 und der Wand der Bohrung 7 ausgebildete Druckraum 14 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllen. Durch eine Querschnittserweiterung der Ventilnadel 10 im Bereich der Anschliffe 20 ist an der Ventilnadel 10 eine Druckschulter 18 ausgebildet, die vom Kraftstoffdruck im Druckraum 14 beaufschlagt wird und so zusammen mit der hydraulischen Kraft auf Teile der Ventildichtfläche 12 eine Öffnungskraft auf die Ventilnadel 10 bewirken, die vom Ventilsitz 9 weggerichtet ist.
  • Im Federraum 22 ist eine Hülse 26 angeordnet, die die Ventilnadel 10 umgibt und zwischen der und einem an der Ventilnadel 10 sich abstützenden Federteller 24 eine vorgespannte Schließfeder 28 angeordnet ist. Durch die Schließfeder 28 wird eine Schließkraft auf die Ventilnadel 10 ausgeübt, die in Richtung des Ventilsitzes 9 gerichtet ist. Die ventilsitzabgewandte Stirnfläche 29 der Ventilnadel 10 begrenzt einen im Haltekörper 5 ausgebildeten Steuerraum 30, der an seinem gegenüberliegenden Ende von der Stirnseite 34 eines Druckkolbens 32 begrenzt wird. Der Druckkolben 32 ist über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Aktor längsbewegbar, beispielsweise durch einen Piezoaktor, so dass durch die Längsbewegung des Kolbens 32 der Kraftstoff im Steuerraum 30 komprimiert oder entspannt werden kann, so dass der Druck dort steigt oder fällt, je nach Bewegung des Druckkolbens 32. Der Steuerraum 30 ist darüber hinaus über eine Ausgleichsdrossel 37 mit dem Zulaufkanal 15 verbunden, so dass sich im Steuerraum 30 nach einer gewissen Zeit derselbe Druck wie im Zulaufkanal 15 einstellt. Die Funktion der Ausgleichsdrossel 37 kann auch durch die Führungsspalte zwischen Ventilnadel 10 und Hülse 26 sowie zwischen Druckkolben 32 und Haltekörper 5 wahrgenommen werden, so dass die Ausgleichsdrossel 37 dann entfallen kann.
  • Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist dergestalt, dass zu Beginn der Einspritzung, bei der die Ventilnadel 10 in ihrer Schließstellung in Anlage an dem Ventilsitz 9 ist, der Druck im Steuerraum 30 dem Druck im Zulaufkanal 15 entspricht. Durch die hydraulische Schließkraft auf die relativ große Stirnseite 29 der Ventilnadel 9, unterstützt durch die Kraft der Schließfeder 28, überwiegt die Schließkraft auf die Ventilnadel 10 gegenüber der hydraulischen Öffnungskraft auf Teile der Ventildichtfläche 12 und der Druckschulter 18. Soll eine Einspritzung erfolgen so bewegt der Aktor den Druckkolben 32 von der Ventilnadel 10 weg, wodurch der Druck im Druckraum 30 abnimmt. Dadurch verringert sich die hydraulische Schließkraft auf die Stirnseite 29 der Ventilnadel 10, so dass jetzt die Öffnungskraft durch die hydraulische Beaufschlagung der Druckschulter 18 und der Ventildichtfläche 12 ausreicht, die Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 9 abzuheben. Die Ventilnadel 10 setzt ihren Öffnungshub so lange fort, bis entweder der Federteller 24 an der Hülse 26 anliegt oder bis durch Anheben der Ventilnadel 10 das Volumen des Steuerraums 30 so weit verringert ist, dass zwischen Stirnseite 29 und Ventildichtfläche 12 der Ventilnadel 10 wieder ein Kräftegleichgewicht herrscht. Der Endhub der Ventilnadel 10 und damit der Hub des Druckkolbens 32 muss so groß gewählt werden, dass bei Endhub der Durchfluss durch die Spritzlöcher 11 durch die Ventilnadel 10 nur unwesentlich beeinflusst wird.
  • Die Dimensionierung der Ausgleichsdrossel 37 ist hierbei so gewählt, dass der Zufluss den Druck im Steuerraum 30 während des Einspritzvorgangs praktisch nicht beeinflusst. Durch das Abheben der Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 9 fließt Kraftstoff aus dem Druckraum 14 zwischen der Ventildichtfläche 12 und dem Ventilsitz 9 hindurch zu den Einspritzöffnungen 11 und wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Soll die Einspritzung beendet werden, so bewegt der Aktor den Druckkolben 32 in Richtung der Ventilnadel 10, so dass der Druck im Steuerraum 30 wieder ansteigt. Hierdurch erhöht sich die Schließkraft auf die Stirnseite 29, und die Ventilnadel 10 gleitet zurück in ihre Schließstellung. Nach Beendigung der Einspritzung, die nur wenige Grad Kurbelwinkel andauert, wird über die Ausgleichsdrossel 37 wieder der Ausgangsdruck, also der Druck im Zulaufkanal 15, im Steuerraum 30 eingestellt, so dass nach einer Einspritzung wieder der anfängliche Zustand erreicht wird, auch dann, wenn der Piezoaktor im Laufe seiner Lebensdauer eine Drift zeigt.
  • 2 zeigt eine Vergrößerung von 1 im Bereich des Ventilsitzes 9. Die Ventildichtfläche 12 der Ventilnadel 10 umfasst eine erste Konusfläche 40 und eine zweite Konusfläche 42, zwischen denen eine Ringnut 43 verläuft. Am Übergang der ersten Konusfläche 40, die einen kleineren Öffnungswinkel aufweist als der konische Ventilsitz 9, ist eine erste Dichtkante 44 ausgebildet, und am Übergang der Ringnut 43 zur zweiten Konusfläche 42 eine zweite Dichtkante 46. Zwischen dem Ventilsitz 9 und dem Ende der Ventilnadel 10 verbleibt ein Zwischenraum 55. Da der Öffnungswinkel der zweiten Konusfläche 42 größer als der Öffnungswinkel des konischen Ventilsitzes 9 ist, kann erreicht werden, dass bei Auflage der Ventilnadel 10 auf dem Ventilsitz 9 die Einspritzöffnungen 11 durch die erste Dichtkante 44 stromaufwärts und durch die zweite Dichtkante 46 stromabwärts abgedichtet werden. Dadurch werden die Einspritzöffnungen sowohl gegen den Druckraum 14 als auch gegen den zwischen der Ventilnadel 10 und dem Ventilsitz 9 verbleibenden Zwischenraum 55, der stromabwärts der Einspritzöffnungen 11 ausgebildet ist, abgedichtet.
  • In der Ventilnadel 10 ist ein Kanal 48 ausgebildet, der sich aus einer Querbohrung 50 und einer Längsbohrung 52 zusammensetzt. Über den Kanal 48 ist der Druckraum 14 mit dem Zwischenraum 55 verbunden, so dass ein Druckausgleich zwischen dem Druckraum 14 und dem Zwischenraum 55 hergestellt wird. Da der Kanal 48 in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einen relativ großen Querschnitt aufweist, ergeben sich auch bei Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils, also bei bewegter Ventilnadel 10, stets nur kurzzeitig Druckunterschiede zwischen dem Druckraum 14 und dem Zwischenraum 55.
  • Durch den Druck im Druckraum 14 wird die Ventildichtfläche 12 bis zur ersten Dichtkante 44 mit Kraftstoffdruck beaufschlagt, was der ersten Konusfläche 40 entspricht. Über die Verbindung des Druckraums 14 mit dem Zwischenraum 55 herrscht dort ein hoher Kraftstoffdruck, so dass auch die zweite Konusfläche 42 bis zur zweiten Dichtkante 46 vom Kraftstoffdruck im Zwischenraum 55 beaufschlagt wird. Darüber hinaus ergibt sich eine resultierende Kraft auf die Ventilnadel 10 durch den Druck im Kanal 48, die dem Querschnitt der Längsbohrung 52 entspricht. Bis auf die Fläche der Ringnut 43 ist somit die gesamte Ventildichtfläche 12 vom Kraftstoffdruck beaufschlagt und ergibt eine entsprechende, in Längs richtung der Ventilnadel 10 wirkende Öffnungskraft, die vom Ventilsitz 9 weggerichtet ist. Hebt die Ventilnadel 10 in der oben beschriebenen Weise vom Ventilsitz 9 ab, so ergibt sich ein Zustand, wie er in 3 dargestellt ist. Durch den Spalt zwischen der ersten Dichtkante 44 und dem Ventilsitz 9 strömt jetzt Kraftstoff aus dem Druckraum 14 zu den Einspritzöffnungen 11. Über den Kanal 48 bleibt der Druck im Zwischenraum 55 erhalten und damit auch die hydraulischen Kräfte auf die Ventilnadel 10. Zusätzlich zum Kraftstofffluss, der direkt zwischen der ersten Dichtkante 44 und dem Ventilsitz 9 hindurchfließt, kommt es zu einem weiteren Kraftstoffstrom, der durch den Kanal 48 in den Zwischenraum 55 und von dort zwischen der zweiten Dichtkante 46 und dem Ventilsitz 9 hindurch zu den Einspritzöffnungen 11 führt. Dies bewirkt, dass bei gleichem Hub der Ventilnadel 10 gegenüber der Ausführung ohne Kanal 48 ein stärkerer Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen 11 stattfindet. Durch das Abheben der Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 9 wird zusätzlich die Ringnut 43 vom Kraftstoffdruck beaufschlagt, was eine weitere Erhöhung der Öffnungskraft auf die Ventilnadel 10 bewirkt.
  • In 7 ist die hydraulische Öffnungskraft auf die Ventildichtfläche 12 in Abhängigkeit vom Nadelhub h dargestellt. Mit I ist der Verlauf dargestellt, wie er sich ohne einen Kanal 48 in der Ventilnadel 10 ergibt. Exemplarisch wurde hier ein Einspritzdruck im Druckraum 14 von 1600 bar angenommen. Durch die üblichen Abmessungen ergibt sich ohne den Kanal 48 bei geschlossenen Kraftstoffeinspritzventil eine hydraulische Kraft auf die Ventilnadel 10 von etwa 1100 bar. Durch das Abheben der Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 9 und die zusätzliche Beaufschlagung weiterer Teil der Ventildichtfläche 12 mit dem Kraftstoffdruck erhöht sich diese Kraft F im Verlauf des Nadelhubs h bis zu seinem Endwert, der bei etwa 200 μm Nadelhub mit ca. 1500 N erreicht wird.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Ventilnadel 10 mit einem Kanal 48 ergibt sich der mit II bezeichnete Verlauf der Öffnuungskraft F. Bei geschlossenem Kraftstoffeinspritzventil ergibt sich eine deutlich höhere Öffnungskraft auf die Ventilnadel 10, die knapp 1400 N beträgt. Durch das Abheben der Ventilnadel 10 und die zusätzliche Beaufschlagung der Ringnut 43 ergibt sich eine Erhöhung der Öffnungskraft, die bereits nach ca. 80 μm Nadelhub den Endwert von gut 1500 N erreicht.
  • Betrachtet man nochmals 1, so sieht man, dass der Druck im Steuerraum 30 von der Höhe des Hubs des Kolbens 32 abhängt. Um die Ventilnadel 10 zum Öffnen zu bringen, muss die Kraft auf die Ventilnadel 10, wie in 7 dargestellt, von einer Schließkraft, die größer als 1500 N ist, auf ca. 1100 N abgesenkt werden, wenn der Kanal48 nicht vorhanden ist. Dafür ist ein relativ großer Hub des Kolbens 32 und damit auch des Aktors erforderlich. Piezoaktoren zeigen jedoch nur einen relativ geringen Hub, so dass ein entsprechend großer Piezoaktor vorhanden sein muss, der entsprechend viel Bauraum einnimmt. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil mit dem Kanal48 in der Ventilnadel 10 muss die Schließkraft hingegen nur auf ca. 1350 N abgesenkt werden, damit die Ventilnadel 10 in Bewegung gesetzt wird. Hierzu ist ein deutlich geringerer Hub des Kolbens 32 und damit des Piezoaktors nötig, so dass der Piezoaktor entsprechend kleiner gestaltet werden kann.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in derselben Darstellung wie 2. Der Kanal 48 setzt sich hier aus einem Einstich 58, einer Querbohrung 50' und einer Längsbohrung 52, die die Querbohrung 50' schneidet, zusammensetzt. Der Einstich 58 bewirkt, dass die Spitze der Ventilnadel 10 etwas flexibler ist, so dass eine leichte elastische Verformung der Ventilnadel 10 dahingehend stattfinden kann, dass sowohl die erste Dichtkante 44, als auch die zweite Dichtkante 46 am Ventilsitz 9 dichten. Der Einstich 58 ist hierbei umlaufend um die Ventilnadel 10 und ermöglicht einen ungehinderten Zufluss des Kraftstoffs zur Querbohrung 50'. Die sonstigen hydraulischen Eigenschaften der Ventilnadel 10 und ihre Funktionsweise im Kraftstoffeinspritzventil ist identisch mit dem Ausführungsbeispiel, das in 2 und 3 dargestellt ist.
  • 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in derselben Darstellung wie 2, wobei die Ventilnadel 10 hier teilweise geschnitten dargestellt ist. Der Kanal 48 ist als eine Querbohrung 50 und eine Längsbohrung 52 dargestellt, wobei in der Längsbohrung 52 eine Drossel 54 ausgebildet ist, also eine gezielt eingebrachte Engstelle. Bei einer Druckdifferenz zwischen dem Druckraum 14 und dem Zwischenraum 55 findet der Druck ausgleich dadurch mit einer gewissen Verzögerung statt, die durch den Durchflusswiderstand der Drossel 54 bedingt ist. Dies wirkt sich folgendermaßen aus:
    Zu Beginn der Einspritzung, d.h. nachdem die Ventilnadel 10 längere Zeit am Ventilsitz 9 in Anlage war, herrscht wegen des Kanals 48 im Druckraum 14 und im Zwischenraum 55 derselbe Kraftstoffdruck. Beim Abheben der Ventilnadel 10 vergrößert sich das Volumen des Zwischenraums 55, so dass der Druck dort abfällt und damit auch die hydraulische Kraft auf die zweite Konusfläche 42. Bei geeigneter Dimensionierung der Drossel 54 bleibt der Druck im Zwischenraum 55 unter dem Druck im Druckraum 14 so lange, bis durch den Zufluss aus dem größer werdenden Spalt zwischen der zweiten Dichtkante 46 und dem Ventilsitz 9 ein Druckausgleich mit dem Druckraum 14 hergestellt ist. Die Öffnungskraft auf die Ventilnadel 10 hat dann den in 7 mit III bezeichneten Verlauf. Ausgehend von der Öffnungskraft von knapp 1400 N, die dieselbe wie bei den Ausführungsbeispielen nach 2 und 4 ist, sinkt die Öffnungskraft F wegen des fallenden Drucks im Zwischenraum 55 bis zu einem Hub der Ventilnadel 10 von ca. 20 μm ab. Danach steigt die Kraft F wieder an, wobei sie in etwa dem Verlauf der Ventilnadel 10 ohne den Kanal 48 folgt, bis auf den Endwert von gut 1500 N. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Ventilnadel 10 beispielsweise für eine Teil- oder Voreinspritzung nur einen sehr kleinen Hub ausführen zu lassen. Dazu wird durch eine geeignete Bewegung des Kolbens 32 der Druck im Steuerraum 30 so weit abgesenkt, dass sich die Schließkraft von einem Wert oberhalb 1400 N auf beispielsweise 1300 N absenkt. Dadurch hebt die Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 9 ab, stoppt jedoch wieder nach einem Hub von etwa 20 μm, da dann die Öffnungskraft F wieder der Schließkraft entspricht. Auch ein sehr geringer Teilhub der Ventilnadel 10, beispielsweise die oben erwähnten 20 μm, führen zu einer ausreichenden Durchflussrate an den Einspritzöffnungen 11. Trotz der Drossel 54 erhöht der Kanal 48 den Zufluss zu den Einspritzöffnungen 11 bei gegebenem Nadelhub h erheblich, so dass ein für eine Teileinspritzung ausreichende Kraftstofffluss ohne Probleme erreicht wird. Ausgehend von diesem Teilhub kann die Ventilnadel 10 durch entsprechendes Betätigen des Piezoaktors und damit des Kolbens 32 wieder geschlossen werden, so dass eine Einspritzung einer sehr kleinen Kraftstoffmenge möglich ist, ohne dass ein variabler Hubanschlag für die Ventilnadel 10 vorgesehen sein muss.
  • 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffeinspritzventils, bei dem in der Ventilnadel 10 der Kanal 48 eine Drossel 54' aufweist. Der Kanal48 ist als Schrägbohrung 60 ausgebildet und geht von der zweiten Konusfläche 42 aus und mündet in den Druckraum 14. Die Schrägbohrung 60 schneidet hierbei die Längsachse 16 der Ventilnadel 10, wobei der Winkel zur Längsachse 16 beliebig ist, solange eine hydraulische Verbindung zwischen dem Zwischenraum 55 und dem Druckraum 14 stattfindet.
  • Gegenüber den herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventilen kann der Piezoaktor, der den Kolben 32 bewegt, noch weiter verkürzt werden. Da über den Kanal 48 ein zusätzlicher Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen 11 stattfindet, muss die Nadel 10 für einen gewünschten Durchfluss weniger Hub durchfahren, wodurch der Druckanstieg im Steuerraum 30 durch die Öffnungsbewegung der Ventilnadel 10 entsprechend geringer ausfällt.

Claims (10)

  1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilsitz (9), von dem wenigstens eine Einspritzöffnung (11) abgeht, und mit einer längsverschiebbar angeordneten Ventilnadel (10), die mit einer Ventildichtfläche (12) so mit dem Ventilsitz (9) zusammenwirkt, dass bei vom Ventilsitz (9) abgehobener Ventilnadel (10) Kraftstoff aus einem Druckraum (14) den Einspritzöffnungen (11) in einer Strömungsrichtung zufließt, und mit einem stromabwärts der Einspritzöffnungen (11) zwischen dem ventilsitzseitigen Ende der Ventilnadel (10) und dem Ventilsitz (9) verbleibenden Zwischenraum (55), dadurch gekennzeichnet, dass bei Anlage der Ventilnadel (10) auf dem Ventilsitz (9) die Einspritzöffnungen (11) sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts verschlossen werden und der Druckraum (14) mit dem Zwischenraum (55) hydraulisch verbunden ist.
  2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Druckraums (14) mit dem Zwischenraum (55) über einen in der Ventilnadel (10) ausgebildet Kanal (48) erfolgt.
  3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (9) konisch ausgebildet ist.
  4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventildichtfläche (12) zumindest im wesentlichen konisch ausgebildet ist.
  5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ventildichtfläche (12) eine Ringnut (43) ausgebildet ist, die bei Anlage der Ventilnadel (10) auf dem Ventilsitz (9) die Einspritzöffnungen (11) überdeckt.
  6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventildichtfläche (12) eine stromaufwärts der Ringnut (43) angeordnete erste Konusfläche (40) und eine stromabwärts der Ringnut (43) angeordnete zweite Konusfläche (42) umfasst.
  7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (48) durch eine Querbohrung (50; 50') und eine die Querbohrung (50; 50') schneidende Längsbohrung (52) gebildet wird.
  8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (10) eine Längsachse (16) aufweist und die Achse der Längsbohrung (52) mit der Längsachse (16) der Ventilnadel (10) zusammenfällt.
  9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (48) durch eine Schrägbohrung (60) ausgebildet ist, die die Längsachse (16) der Ventilnadel (10) schneidet.
  10. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Kanal (48) eine Drossel (54) vorgesehen ist.
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