DE10341452A1

DE10341452A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10341452A1
Application number: DE10341452A
Authority: DE
Inventors: Thomas KÜGLER; Hasiman ÜSKÜDAR
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31
Also published as: WO2005026526A1; US20070029410A1; EP1664523A1; CN1849449A

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einem Ventilkörper (1) ausgebildeten äußeren Ventilsitz (107), der eine Konusform mit einem äußeren Öffnungswinkel (a) aufweist und von dem wenigstens eine äußere Einspritzöffnung (10) abgeht. Weiter ist ein innerer Ventilsitz (207) ausgebildet, der ebenfalls eine Konusform mit einem inneren Öffnungswinkel (b) aufweist und von dem wenigstens eine innere Einspritzöffnung (12) abgeht. Im Ventilkörper (1) ist eine Ventilhohlnadel (15) angeordnet, die eine äußere Ventildichtfläche (30) aufweist, mit der sie mit dem äußeren Ventilsitz (107) zusammenwirkt und so die Öffnung der wenigstens einen äußeren Einspritzöffnung (10) steuert. In der Ventilhohlnadel (15) ist eine Ventilnadel (17) angeordnet, die mit einer inneren Ventildichtfläche (32) mit dem inneren Ventilsitz (207) zur Steuerung der wenigstens einen inneren Einspritzöffnung (12) zusammenwirkt, wobei die Öffnungswinkel (a; b) des inneren Ventilsitzes (207) und des äußeren Ventilsitzes (107) verschieden sind (Figur 2).

Description

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, wie es dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist beispielsweise aus der WO 02/42637 bekannt und umfasst ein Gehäuse, in dem ein äußerer und ein innerer Ventilsitz ausgebildet sind. Von beiden Ventilsitzen gehen jeweils wenigstens eine innere bzw. äußere Einspritzöffnung aus, die in den Brennraum der Brennkraftmaschinen mündet. Im Kraftstoffeinspritzventil ist eine Ventilhohlnadel angeordnet, die mit dem äußeren Ventilsitz zur Steuerung der äußeren Einspritzöffnungen zusammenwirkt. Darüber hinaus ist eine in der Ventilhohlnadel angeordnete Ventilnadel vorhanden, die mit ihrer inneren Ventildichtfläche mit dem inneren Ventilsitz zusammenwirkt und dabei die inneren Einspritzöffnungen steuert.

Bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil ist der äußere Ventilsitz und der innere Ventilsitz auf einer gemeinsamen Konusfläche ausgebildet und haben folglich denselben Öffnungswinkel. Die hydraulische Öffnungskraft und deren Verlauf hängt maßgeblich davon ab, zu welchem Zeitpunkt und mit welchem Druck die jeweiligen Ventildichtflächen vom Kraftstoff, der den Einspritzöffnungen zufließt, beaufschlagt werden. Welchem Druck die Ventildichtfläche hierbei bei welchem Hub der Ventilnadel ausgesetzt ist, hängt wesentlich vom Öffnungswinkel der Ventildichtfläche ab. Sind, wie bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil, beide Ventilsitze auf einer ge meinsamen Konusfläche ausgebildet, lässt sich dieser Auslegungsparameter nur für Ventilhohlnadel und Ventilnadel gemeinsam ändern. Dies erschwert eine optimale Auslegung und damit eine gezielte Einstellung der Öffnungsdynamik.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Öffnungsdynamik der Ventilnadeln und die Einlaufbedingungen an den jeweiligen Einspritzöffnungen unabhängig voneinander optimiert werden können. Hierzu werden die Ventilsitze mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln gefertigt, wobei die Öffnungswinkel hinsichtlich der gewünschten Eigenschaften an der Ventilhohlnadel bzw. der Ventilnadel optimiert werden.

Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. So hat sich ein Öffnungswinkel von 55° bis 65° am inneren Ventilsitz als vorteilhaft erwiesen, wenn gleichzeitig der Öffnungswinkel des äußeren Ventilsitzes größer als dieser Wert ist. Ebenso kann auch gegenteilig verfahren werden, also am äußeren Ventilsitz ein Öffnungswinkel von etwa 60°, während der innere Ventilsitz einen größeren Öffnungswinkel aufweist.

Zur Vermeidung von Verwirbelungen und zum gleichmäßigen Einströmen des Kraftstoffs zwischen die Ventilnadeln und die Ventilsitze grenzen diese vorteilhafterweise direkt aneinander. Weitere Kanten oder Nuten in diesem Bereich können die Strömung in Richtung der Einspritzöffnungen nachteilig beeinflussen.

Weitere Vorteile sind der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
Zeichnung
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführüngsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt
1 ein Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt,
2 eine vergrößerte Darstellung im Bereich des Ventilsitzes eines ersten Ausführungsbeispiels und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel in derselben Darstellung wie 2.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Zeichnung zeigt 1 ein Kraftstoffeinspritzventil der erfindungsgemäßen Art im Längsschnitt. In einem Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 3 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem Ventilsitz 7 begrenzt wird. Der Ventilsitz 7 unterteilt sich hierbei in einen äußeren Ventilsitz 107 und einen inneren Ventilsitz 207, die beide eine Konusform aufweisen. Vom äußeren Ventilsitz 107 geht wenigstens eine äußere Einspritzöffnung 10 und vom inneren Ventilsitz 207 wenigstens eine innere Einspritzöffnung 12 ab, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventil sämtlich in den Brennraum münden. In der Bohrung 3 ist eine Ventilhohlnadel 15 angeordnet, die an ihrem ventilsitzseitigen Ende eine äußere Ventildichtfläche 32 aufweist, mit der sie mit dem äußeren Ventilsitz 107 zusammenwirkt. 2 zeigt hierzu eine vergrößerte Darstellung von 1 im Bereich des Ventilsitzes 7, wobei hier wegen der gegebenen Rotationssymmetrie bezüglich der Längsachse 8 der Bohrung 3 nur eine Hälfte gezeichnet ist.
Die Ventilhohlnadel 15 wird in einem ventilsitzabgewandten Abschnitt in der Bohrung 3 dichtend geführt und verjüngt sich dem Ventilsitz 7 zu unter Bildung einer Druckschulter 18. Zwischen dem geführten Abschnitt der Ventilhohlnadel 15 und dem Ventilsitz 7 ist zwischen der Ventilhohlnadel 15 und der Wand der Bohrung 3 ein Druckraum 5 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 18 radial erweitert ist. In die radiale Erweiterung des Druckraums 5 mündet ein im Ventilkörper 1 verlaufender und in der Zeichnung nicht dargestellter Zulaufkanal, über den der Druckraum 5 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist.
In der Ventilhohlnadel 15 ist eine Ventilnadel 17 angeordnet, die längsverschiebbar ist und mit einer inneren Ventildichtfläche 32 mit dem inneren Ventilsitz 207 zusammenwirkt. Die Ventilnadel 17 weist einen ersten Führungsabschnitt 20 und einen zweiten Führungsabschnitt 22 auf, mit der sie in der Ventilhohlnadel 15 geführt ist. Zwischen diesen Führungsabschnitten 20, 22 ist ein Freistich ausgebildet, so dass ein Klemmen der Ventilnadel 17 in der Ventilhohlnadel 15 verhindert wird. Sowohl die Ventilnadel 17 als auch die Ventilhohlnadel 15 werden an ihrem ventilsitzabgewandten Ende von einer Schließkraft beaufschlagt, die durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung erzeugt wird. Solche Vorrichtungen, die aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt sind, können beispielsweise Federn oder Steuerräume sein, die die Schließkraft hydraulisch erzeugen. Die Steuerung der Ventilhohlnadel 15 und der Ventilnadel 17 geschieht durch das Verhältnis der Schließkräfte zu den hydraulischen Öffnungskräften, die auf die Druckschulter 18 der Ventilhohlnadel 15 und auf eine Druckschulter 26 an der Ventilnadel 17 wirken. Unterschreitet die Schließkraft auf die Ventilhohlnadel 15 die auf sie wirkenden Öffnungskräfte, so hebt sie vom äußeren Ventilsitz 107 ab und verbindet so den Druckraum 5 mit den äußeren Einspritzöffnungen 10. Der Kraftstoff der im Druckraum 5 unter hohem Druck ansteht, fließt daraufhin zwischen der äußeren Ventildichtfläche 32 und dem äußeren Ventilsitz 107 hindurch und wird durch die äußeren Einspritzöffnungen 10 in den Brennraum eingespritzt. Nach dem Abheben der Ventilhohlnadel 15 vom Ventilsitz 7 wird die Druckschulter 26 der Ventilnadel 17 vom Kraftstoff beaufschlagt, so dass sich eine entsprechende hydraulische Öffnungskraft auf die Ventilnadel 17 ergibt. Je nach Schließkraft auf die Ventilnadel 17 hebt diese entweder ebenfälls vom inneren Ventilsitz 207 ab und gibt in gleicher Weise wie die Ventilhohlnadel 15 die inneren Einspritzöffnungen 12 frei oder sie bleibt in ihrer Schließstellung. Auf diese Weise kann der Kraftstoff entweder nur durch die äußeren Einspritzöffnungen 10 oder durch sämtliche Einspritzöffnungen 10, 12 in den Brennraum eingespritzt werden, so dass ein variabler Einspritzquerschnitt gegeben ist.
In 2 ist der Bereich des Ventilsitzes 7 vergrößert dargestellt. Der äußere Ventilsitz 107 und der innere Ventilsitz 207 sind jeweils als Konusflächen ausgeführt. Der äußere Ventilsitz 107 weist hierbei einen Öffnungswinkel a auf und der innere Ventilsitz 207 einen Öffnungswinkel b, wobei aufgrund der Darstellung die halben Winkel a/2, b/2 eingezeichnet sind. Die Öffnungswinkel der Ventilsitze 107, 207 sind verschieden ausgebildet, um beispielsweise die Einströmbedingungen des Kraftstoffs in die Einspritzöffnungen 10, 12 zu optimieren. Nach dem Öffnen der Ventilhohlnadel 15, also nach deren Abheben vom äußeren Ventilsitz 107, beginnt der Kraftstoff, angetrieben vom hohen Druck im Druckraum 5, mit hoher Geschwindigkeit in Richtung der äußeren Einspritzöffnungen 10 zu strömen. Beim Eintritt in die äußeren Einspritzöffnungen 10 muss der Kraftstoff eine Richtungsänderung vollziehen, die wesentlich vom Öffnungswinkel a abhängt. Ebenso be einflusst der Öffnungswinkel b des inneren Ventilsitzes 207 die Einströmbedingungen in die inneren Einspritzöffnungen 12. Da die inneren und die äußeren Einspritzöffnungen 10, 12 häufig unterschiedliche Durchmesser aufweisen oder unterschiedliche Winkel mit der Längsachse 8 einschließen. Durch unterschiedliche Öffnungswinkel des äußeren Ventilsitzes 107 und des inneren Ventilsitzes 207 können diese Einströmbedingungen speziell an die jeweiligen Einspritzöffnungen 10, 12 angepasst werden.
Darüber hinaus lässt sich die Öffnungsdynamik der Ventilhohlnadel 10 und der Ventilnadel 12 über den Öffnungswinkel der Ventilsitze 107, 207 einstellen: Nach dem Abheben vom Ventilsitz 107, 207 werden auch die Ventildichtflächen 30, 32 vom Kraftstoffdruck beaufschlagt und bewirken eine zusätzliche Öffnungskraft, die die Dynamik der Öffnungsbewegung wesentlich bestimmt. Wie hoch diese Öffnungskraft ist hängt insbesondere vom Öffnungswinkel a, b der Ventilsitze 107, 207 ab, so dass auch die Öffnungsdynamik über den Öffnungswinkel der Ventilsitze 107, 207 optimiert werden kann.
3 zeigt in derselben Darstellung wie 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel. Es entspricht in allen wesentlichen Merkmalen dem Ausführungsbeispiel der 2, jedoch ist hier der Öffnungswinkel a des äußeren Ventilsitzes 107 kleiner als der Öffnungswinkel b des inneren Ventilsitzes 207. Bevorzugte Größen für die Öffnungswinkel sind 85° bis 95°, vorzugsweise etwa 90°, für die größeren Öffnungswinkel, also Öffnungswinkel a in 2 und Öffnungswinkel b in 3. Die jeweils kleineren Öffnungswinkel betragen 55° bis 65°, vorzugsweise etwa 60°.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einem Ventilkörper (1) ausgebildeten äußeren Ventilsitz (107), der eine Konusform mit einem äußeren Öffnungswinkel (a) aufweist und von dem wenigstens eine äußere Einspritzöffnung (10) abgeht, und mit einem inneren Ventilsitz (207), der ebenfalls eine Konusform mit einem inneren Öffnungswinkel (b) aufweist und von dem wenigstens eine innere Einspritzöffnung (12) abgeht, und mit einer im Ventilkörper (1) angeordneten Ventilhohlnadel (15), die eine äußere Ventildichtfläche (30) aufweist, mit der sie mit dem äußeren Ventilsitz (107) zusammenwirkt und so die Öffnung der wenigstens einen äußeren Einspritzöffnung (10) steuert, und mit einer in der Ventilhohlnadel (15) angeordnete Ventilnadel (17), die mit einer inneren Ventildichtfläche (32) mit dem inneren Ventilsitz (207) zur Steuerung der wenigstens einen inneren Einspritzöffnungen (12) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungswinkel (a; b) des inneren Ventilsitzes (207) und des äußeren Ventilsitzes (107) verschieden sind.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Ventilsitz (207) und der äußere Ventilsitz (107) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (b) des inneren Ventilsitzes (207) einen kleineren aufweist als der äußere Ventilsitz (107).
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (b) des inneren Ventilsitzes (207) 85° bis 95° beträgt.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Ventilsitz (107) einen Öffnungswinkel (a) aufweist, der kleiner als der Öffnungswinkel (b) des inneren Ventilsitzes (207) ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (b) des äußeren Ventilsitzes (107) 85° bis 95° beträgt.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Ventilsitz (207) unmittelbar an den äußeren Ventilsitz (107) grenzt.