DE19634933A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents
Kraftstoffeinspritzventil für BrennkraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für
Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1
aus. Bei einem derartigen, aus der US-PS 5,351,398 bekannten
Kraftstoffeinspritzventil ist ein kolbenförmiges Ventilglied
axial verschiebbar in einer Bohrung eines Ventilkörpers
geführt. Das Ventilglied weist dabei an seinem
brennraumseitigen Ende eine konische Ventildichtfläche auf,
mit der es mit einer konischen Ventilsitzfläche am
Ventilkörper zusammenwirkt, die am nach innen kragenden Ende
der geschlossenen Ventilbohrung gebildet ist. Dabei ist die
Ventildichtfläche am Ventilglied in zwei Bereiche mit
unterschiedlichen Kegelwinkeln unterteilt, wobei an der
Übergangskante zwischen den beiden
Ventildichtflächenbereichen eine umlaufende Dichtkante
gebildet ist, die dichtend an der Ventilsitzfläche anliegt
und so einen stromaufwärts angrenzenden Druckraum bei
geschlossenem Einspritzventil abdichtet. Stromabwärts von
dieser Dichtkante ist wenigstens eine in den Brennraum der
zu versorgenden Brennkraftmaschine mündende Einspritzöffnung
in der Wand des Ventilkörpers vorgesehen, die von der
Ventilsitzfläche abführt.
Dabei weist das bekannte Kraftstoffeinspritzventil der
"Lochdüsen-Bauart" herstellungsbedingt den Nachteil auf, daß
die Dichtkante häufig Toleranzabweichungen und
Lageabweichungen aufweist, die neben einem ungenauen
Schließen auch verschieden große Druckangriffsflächen an der
Ventildichtfläche bilden, so daß die einzelnen
Einspritzventile mit unterschiedlichen Hubgeschwindigkeiten
öffnen.
Dabei wirken sich diese relativ großen Toleranzabweichungen
an der Dichtkante bei mit einem gemeinsamen
Hochdrucksammelraum (Common Rail) arbeitenden
Einspritzsystemen besonders stark aus, da die
Sitzdurchmessertoleranz dort vollständig mit in die
Toleranzkette der Einspritzmenge eingeht.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil für
Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die
Dichtkante am Ventilglied sehr genau herstellbar und somit
nur mit einer sehr kleinen Toleranz behaftet ist, was sich
vorteilhaft auf die Zumeßgenauigkeit der Einspritzmenge
auswirkt. Dies wird dabei in konstruktiv einfacher Weise
durch das Vorsehen eines Absatzes erreicht, durch den die
beiden Ventildichtflächenbereiche mit unterschiedlichem
Neigungswinkel voneinander getrennt sind.
Dieser Absatz kann dabei alternativ zylindrisch, gekrümmt
oder als Kombination von beidem ausgebildet sein. Die axiale
Erstreckung des Absatzes ist so ausgebildet, daß der durch
den Absatz und den sich anschließenden Dämpfungskegel
gebildete Dämpfungsraum trotz der minimalen Toleranz am
Sitzdurchmesser erhalten bleibt.
Die Dichtkante kann dabei am unteren, brennraumseitigen oder
am oberen Ende des Absatzes vorgesehen werden.
Die Herstellung eines derartig ausgebildeten Ventilgliedes
erfolgt in vorteilhafter Weise durch das nachträgliche
Abschleifen der Ventildichtfläche auf das entsprechende Maß,
bei dem ein Teil des axialen Absatzes mit abgetragen wird.
Besonders vorteilhaft wirkt sich die Verringerung der
Sitzdurchmessertoleranz bei der Verwendung des
Einspritzventils an Common Rail Einspritzsystemen aus, deren
Zumeßgenauigkeit dadurch verbessert werden kann. Dies wird
insbesondere an Einspritzventilen notwendig, bei denen die
Schließkraft über eine Druckstange auf das Ventilglied
übertragen wird, die an ihrer ventilgliedabgewandten
Stirnseite einen hydraulischen Arbeitsraum begrenzt, der
über ein Steuerventil mit dem Hochdruckspeicherraum des
Common Rail oder einem Entlastungsraum verbindbar ist, wobei
an den in Öffnungsrichtung am Ventilglied wirkenden
Druckräumen ständig der Common Rail-Hochdruck ansteht.
Da dabei bei geschlossenem Einspritzventil ein
quasistatisches Gleichgewicht zwischen den in
Öffnungsrichtung wirkenden Angriffsflächen des Ventilgliedes
und der in Schließrichtung wirkenden Stirnfläche der
Druckstange gebildet ist, gehen mögliche Toleranzen an den
nach Öffnungsbeginn wirksam werdenden Sitzflächen am
Ventilglied vollständig in die Kraftbilanz des Systems ein
und können den Öffnungshubverlauf wesentlich beeinflussen.
Eine derartige negative Beeinflussung kann durch die
erfindungsgemäß mögliche präzise Fertigung der Dichtkante am
Ventilglied verhindert werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des
Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der
Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Sechs Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen sind in
der Zeichnung dargestellt und in der folgenden Beschreibung
näher erläutert.
Es zeigen die Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des
Kraftstoffeinspritzventils in einem Längsschnitt, bei dem
die Ventildichtflächenbereiche durch einen zylindrischen
Steg voneinander getrennt sind, die Fig. 2 einen
vergrößerten Ausschnitt des Ventilsitzbereiches der Fig. 1,
die Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels, bei dem der Übergangsbereich zwischen
den Ventildichtflächenabschnitten angeschrägt und
zylindrisch verläuft, die Fig. 4 ein drittes vereinfacht
dargestelltes Ausführungsbeispiel, bei dem der Übergang über
einen Ringabsatz und einen zylindrischen Teil erfolgt, die
Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel in vereinfachter
Darstellung, bei dem der Übergang mit einem großen Radius
gekrümmt erfolgt, die Fig. 6 ein fünftes
Ausführungsbeispiel, bei dem die Übergangsfläche als
Kombination von Krümmung und Zylinder ausgebildet ist, die
Fig. 7 ein sechstes Ausführungsbeispiel, bei dem die mit
der Sitzfläche zusammenwirkende Dichtkante am oberen Ende
des Übergangsabsatzes angeordnet ist und die Fig. 8 eine
Darstellung der Herstellung des Ventilgliedes gemäß den
Fig. 1 und 2.
Das in der Fig. 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil
für Brennkraftmaschinen weist einen zylindrischen
Ventilkörper 1 auf, der mit seinem freien unteren Ende in
einen nicht näher gezeigten Brennraum der zu versorgenden
Brennkraftmaschine ragt. Im Ventilkörper 1 ist eine axiale
Sackbohrung 3 vorgesehen, in der ein kolbenförmiges
Ventilglied 5 axial verschiebbar geführt ist. Das
Ventilglied 5 weist an seinem unteren, brennraumnahen Ende
eine konische Ventildichtfläche 7 auf, mit der es zur
Steuerung eines Einspritzquerschnittes mit einer konischen
Ventilsitzfläche 9 am brennraumseitigen Ende des
Ventilkörpers 1 zusammenwirkt, die am nach innen kragenden
geschlossenen Ende der Bohrung 3 gebildet ist.
Dabei ist wie auch der Fig. 2 in einem vergrößerten
Ausschnitt aus der Fig. 1 entnehmbar, die Ventildichtfläche
7 in einen oberen Bereich 11 und einen unteren Bereich 13
geteilt, die verschiedene Konuswinkel aufweisen und die
durch einen Absatz 15 voneinander getrennt sind, der im
ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 als
zylinderförmiger Steg 17 ausgebildet ist. Dabei ist am
Übergang zwischen dem als zylindrischer Steg 17
ausgebildeten Absatz 15 und dem unteren Bereich 13 der
Ventildichtfläche 7 eine umlaufende Dichtkante 19 gebildet,
die mit der Ventilsitzfläche 9 zusammenwirkt und einen in
Strömungsrichtung oberhalb der Dichtkante 19 zwischen
Ventilglied 5 und Bohrung 3 gebildeten Druckraum 21
abdichtet. In Strömungsrichtung des Kraftstoffes unterhalb
der Dichtkante 19 ist wenigstens eine Einspritzöffnung 23 im
Ventilkörper 1 vorgesehen, die von der Ventilsitzfläche 9
ausgehend in den Brennraum der Brennkraftmaschine mündet.
Zwischen der Dichtkante 19 und dem oberen Ende des oberen
Bereiches 11 der Ventildichtfläche 7 ist zwischen dem
Ventilglied 5 und der Ventilsitzfläche 9 ein Raum gebildet,
der während der Schließbewegung des Ventilgliedes 5 als
Dämpfungsraum 24 wirkt, wobei die axiale Länge des Absatzes
15 so ausgelegt ist, daß die Dämpfungswirkung trotz
möglichst geringer axialer Erstreckung erhalten bleibt. Für
eine möglichst gute Dämpfungswirkung weist dabei die obere
Begrenzungskante des oberen Bereiches 11 bzw. des
Dämpfungsraumes 24 einen möglichst geringen Abstand zur Wand
der Ventilsitzfläche 9 auf.
Die Dämpfwirkung, die ein Absenken der Nadelschließkraft zur
Folge hat, wird dabei durch den Aufbau eines Druckpolsters
im Raum 24 erreicht, das sich dort bei der hohen
Schließhubgeschwindigkeit des Ventilgliedes 5 (Ventilnadel)
aufbaut, wobei der Engspalt zwischen Ventilglied 5 und
Ventilsitzfläche 9 als Drosselstelle wirkt.
An seinem dem Ventilsitz 9 abgewandten Ende ragt das
Ventilglied 5 über ein Druckstück 25 in einen Federraum 27,
in den eine das Ventilglied 5 in Schließrichtung zum
Ventilsitz 9 hin beaufschlagende Ventilfeder 29 eingesetzt
ist, die über das Druckstück 25 am Ventilglied 5 angreift
und sich andererseits in nicht näher gezeigter Weise an
einem gehäusefesten Anschlag abstützt. Diese Ventilfeder 29
übernimmt dabei die Schließfunktion des Ventilgliedes 5 bei
drucklosem System.
Die Kraftstoffhochdruckzufuhr an den Ventilsitz 9 erfolgt
über eine das Einspritzventil axial durchdringende
Druckleitung 31, die in den Druckraum 21 mündet und an die
eine Einspritzleitung 33 angeschlossen ist, die von einem
für mehrere Einspritzventile gemeinsamen Hochdrucksammelraum
(Common Rail) 35 abführt, wobei der in Öffnungsrichtung auf
das Ventilglied 5 wirkende Druckraum 21 ständig mit dem
Common Rail Hochdruck beaufschlagt ist.
Der Hochdrucksammelraum 35 wird dabei mittels einer
Hochdruckpumpe 39 kontinuierlich über eine Förderleitung 41
mit Kraftstoff hohen Drucks aus einem Vorratstank 43
befüllt.
Zur Übertragung der Schließkraft auf das Ventilglied 5 ist
dieses an seinem dem Ventilsitz 9 abgewandten Ende axial mit
einer den Federraum 27 durchdringenden Druckstange 51
gekoppelt, die mit ihrer ventilgliedabgewandten Stirnfläche
53 in einen hydraulischen Arbeitsraum 55 ragt. Dieser
Arbeitsraum 55 ist über eine Steuerleitung 57 mit der
Einspritzleitung 33 verbunden, wobei die
Kraftstoffhochdruckzufuhr in den Arbeitsraum 55 über ein in
die Steuerleitung 57 eingesetztes Steuerventil 37,
vorzugsweise ein Magnetventil steuerbar ist. Die
Druckentlastung des Arbeitsraumes 55 zur Einleitung der
Ventilgliedöffnungshubbewegung erfolgt dabei über eine nicht
dargestellte Drosselstelle in einen Entlastungsraum, kann
aber alternativ auch über ein als 3/2 Wegeventil
ausgebildetes Steuerventil 37 erfolgen. Dabei kommen der
präzisen Ausbildung der in Öffnungsrichtung am Ventilglied 5
wirkenden Druckangriffsflächen und der Stirnfläche 53 an der
Druckstange 51 eine hohe Bedeutung zu, da diese den
Öffnungszeitpunkt und Öffnungsverlauf des Ventilgliedes 5
wesentlich beeinflussen.
Die in den Fig. 3 bis 7 vereinfacht dargestellten
Ausführungsbeispiele 2 bis 6 unterscheiden sich zum in der
Fig. 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel lediglich durch
die Ausbildung des Absatzes 15 und die Anordnung der
Dichtkante 19, so daß deren Beschreibung auf diese
Einzelheiten beschränkt ist.
Dabei ist der Absatz 15 beim zweiten in der Fig. 3
gezeigten Ausführungsbeispiel in einen untenliegenden
zylinderförmigen Steg 17 und eine obenliegende Anschrägung
45 unterteilt, die unter Bildung einer den Dämpfungsraum 24
begrenzenden Kante in den oberen Dichtflächenbereich 11
übergeht. Die Dichtkante 19 ist am unteren brennraumseitigen
Ende des Absatzes 15 bzw. des Stegbereiches 17 gebildet.
Beim in der Fig. 4 dargestellten dritten
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzventils ist der Übergang vom den Absatz
15 bildenden zylindrischen Ringsteg 17 zum oberen Bereich 11
der Ventildichtfläche 7 als Ringschulter 47 ausgebildet,
wodurch der Dämpfungsraum 24 vergrößert werden kann. Die
Dichtkante 19 ist erneut am unteren Ende des Steges 17, an
dessen Übergang zum unteren Bereich 13 der Ventildichtfläche
7 vorgesehen.
Die Fig. 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem
der Absatz 15 zwischen dem oberen Bereich 11 und dem unteren
Bereich 13 der Ventildichtfläche 7 des Ventilgliedes 5 mit
einem großen Radius 49 in Richtung Ventilgliedachse einwärts
gewölbt ausgebildet ist. Die Dichtkante 19 ist am unteren
Ende des gewölbten Absatzes 49, am Übergang zum unteren
Dichtflächenbereich 13 angeordnet.
Das in der Fig. 6 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel
ist eine Kombination der Fig. 2 und 5, wobei der Absatz
15 nunmehr in seinem oberen Bereich durch eine vom oberen
Dichtflächenbereich 11 ausgehende gewölbte Fläche 49
gebildet ist, der im unteren Bereich in einen zylindrischen
Abschnitt 17 übergeht, der sich bis an den unteren,
brennraumnahen Dichtflächenbereich 13 erstreckt. Die
Dichtkante 19 ist dabei am unteren Ende des Absatzes 15, am
Übergang zwischen dem zylindrischen Steg 17 und dem
Dichtflächenbereich 13 angeordnet.
Beim sechsten in der Fig. 7 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist der Absatz 15 analog zur Fig. 5 als
gewölbte Fläche 49 mit einem großen Radius ausgebildet. Die
Dichtkante 19 ist nunmehr jedoch am oberen Ende des Absatzes
15, am Übergang zwischen der gewölbten Fläche 49 und dem
oberen Dichtflächenbereich 11 angeordnet. Dabei ist die
Winkeldifferenz zwischen der Ventilsitzfläche 9 und dem
Dichtflächenbereich 11 am Ventilglied 5 jedoch noch
ausreichend groß um einen wirksamen Dämpfungsraum 24 zu
bilden.
Die Fig. 8 zeigt eine Herstellungsmöglichkeit des in der
Fig. 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels des
Kraftstoffeinspritzventils. Dabei wird das Ventilglied 5
zunächst mit einem relativ langen zylindrischen Steg 17 und
einem Übermaß am unteren Dichtflächenbereich 13 vorgeformt.
Im Anschluß wird dann die untere Dichtfläche 13 auf das
Fertigmaß abgeschliffen, wobei zugleich der zylindrische
Steg 17 gekürzt wird, so daß sich die entstehende
Dichtkante 19 sehr genau fertigen läßt.
Mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil für
Brennkraftmaschinen ist es somit in konstruktiv einfacher
Weise möglich, den Dichtsitz am Ventil bis auf etwa 3 µm
genau zu fertigen, ohne dabei auf den Dämpfungsraum
verzichten zu müssen, was die Zumeßgenauigkeit am
Einspritzventil erheblich verbessert. Dabei ist die
erfindungsgemäße Ausbildung eines Absatzes zwischen zwei
Dichtflächenbereichen am Ventilglied an Einspritzventilen
der Sackloch- und der Sitzlochdüsenbauart möglich.
Claims (10)
1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit
einem in einer Bohrung (3) eines Ventilkörpers (1) axial
verschiebbaren Ventilglied (5), das an seinem dem Brennraum
der Brennkraftmaschine zugewandten Ende eine konische
Ventildichtfläche (7) aufweist, mit der es mit einer
konischen Ventilsitzfläche (9) am brennraumseitigen
geschlossenen Ende der Bohrung (3) des Ventilkörpers (1)
zusammenwirkt, wobei die konische Ventildichtfläche (7) am
Ventilglied (5) in zwei unterschiedliche Kegelwinkel
aufweisende Bereiche geteilt ist, an deren Übergang eine
Ventildichtkante (19) gebildet ist, sowie mit wenigstens
einer Einspritzöffnung (23) in dem sich stromabwärts an die
Dichtkante (19) anschließenden Bereich der Ventilsitzfläche
(9), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den jeweils einen
unterschiedlichen Kegelwinkel aufweisenden
Ventildichtflächenbereichen (11, 13) ein Absatz (15) am
Ventilglied (5) vorgesehen ist.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Absatz (15) als zylindrischer
Ringsteg (17) ausgebildet ist (Fig. 3, 4, 6).
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Absatz (15) als einwärts gewölbte
Fläche (49) ausgebildet ist (Fig. 7).
4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Absatz (15) zunächst als gewölbte
Fläche (49) ausgebildet ist und sich dann in
Strömungsrichtung folgend über einen zylindrischen Abschnitt
(17) fortsetzt (Fig. 6).
5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dichtkante (19) stromabwärts am
unteren Ende des Absatzes (15) an dessen Übergang zum
unteren Ventildichtflächenbereich (13) angeordnet ist.
6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dichtkante (19) stromaufwärtswärts
am oberen Ende des Absatzes (15) an dessen Übergang zum
oberen Ventildichtflächenbereich (11) angeordnet ist.
7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) mit seiner
Mantelfläche zwischen der Dichtkante (19) und einer den
oberen Dichtflächenbereich (11) begrenzenden Übergangskante
zum zylindrischen Schaft des Ventilgliedes (5), einen
Dämpfungsraum (24) im Ventilsitzkegel (9) des Ventilkörpers
(1) begrenzt.
8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Einspritzventil über eine
Einspritzleitung (33) mit einem Hochdrucksammelraum (35)
verbunden ist, von dem sämtliche Einspritzleitungen (33) der
einzelnen Einspritzventile abführen und der von einer
Hochdruckpumpe (39) mit unter hohem Druck stehenden
Kraftstoff befüllt wird.
9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) in Schließrichtung
von einer Druckstange (51) beaufschlagt wird, deren
ventilgliedabgewandte Stirnfläche (53) in einen Arbeitsraum
(55) ragt, der über eine zusteuerbare Steuerleitung (57) mit
dem Hochdrucksammelraum (35) verbindbar ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines
Kraftstoffeinspritzventils nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5) zunächst mit einem
Übermaß am unteren Ventildichtflächenbereich (13) und mit
einem axial langen Absatz (15) gefertigt wird und daß
anschließend das Übermaß am unteren
Ventildichtflächenbereich (13) unter Abtragung und
Verkürzung des Absatzes (15) auf das gewünschte Maß
abgeschliffen wird (Fig. 8).
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