DE19645900A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einem derartigen, aus der DE 43 40 883 A1 bekannten Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen ist ein kolbenförmiges Ventilglied axial verschiebbar in einer Bohrung eines Ventilkörpers geführt, der mit seinem freien unteren Ende in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragt. Dabei weist das bekannte Ventilglied an seinem unteren, brennraumseitigen Ende einen aus der Bohrung des Ventilkörpers ragenden Schließkopf auf, dessen dem Ventilkörper zugewandte Ringkante eine konische Ventildichtfläche bildet, die mit einem konischen Ventilsitz am Ventilkörper zusammenwirkt. Das Ventilglied ist dabei mit seinem an den Schließkopf mündenden Bereich dichtend in der Bohrung des Ventilkörpers geführt und weist in diesem Bereich Einspritzöffnungen auf, die über Bohrungen im Ventilglied mit einem Kraftstoff-gefüllten Druckraum verbunden sind. Die Austrittsöffnungen dieser vorzugsweise in zwei Reihen axial übereinander angeordneten Einspritzöffnungen sind bei geschlossenem Einspritzventil von der Wand der Bohrung des Ventilkörpers verschlossen. Mit Beginn der nach außen gerichteten Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes hebt zunächst die Ventildichtfläche des Ventilgliedes vom ortsfesten Ventilsitz ab und nach Durchfahren eines bestimmten Leerhubes taucht die untere Spritzlochreihe aus der Überdeckung mit dem Ventilkörper, so daß ein erster Teileinspritzquerschnitt aufgesteuert ist, über den der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Steigt der Öffnungsdruck am Ventilglied weiter an, wird die Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes fortgesetzt und auch die zweite, obere Spritzlochreihe von Einspritzöffnungen taucht aus der Überdeckung mit dem Ventilkörper, so daß nunmehr der gesamte Einspritzquerschnitt am Einspritzventil freigegeben ist.

Dabei hat das bekannte Kraftstoffeinspritzventil mit einem steuerbaren Einspritzquerschnitt jedoch den Nachteil, daß es relativ groß und konstruktiv aufwendig baut und so nicht ohne größere Anpassungen in bestehende Einspritzsysteme eingebaut werden kann. Zudem ändert sich beim bekannten Einspritzventil während der Hubbewegung des Ventilgliedes die Lage der Einspritzöffnungen und somit der Einspritzstrahlen im Raum, so daß deren Optimierung schwierig ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß es trotz steuerbarem Einspritzquerschnitt konstruktiv einfach aufgebaut ist und aufgrund der gleichen Außenabmessungen wie herkömmliche Einspritzventile leicht in bestehende Einspritzsysteme bzw. deren Aufnahmeeinrichtungen einsetzbar ist. Dazu sind beim erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil die Einspritzöffnungen in vorteilhafter Weise im Ventilkörper angeordnet und werden bei geschlossenem Einspritzventil vom Ventilglied an ihrer Eintrittsöffnung verschlossen.

Das Ventilglied weist dazu an seinem brennraumseitigen Ende einen Kolbenschieber auf, der dichtend in der Ventilkörperbohrung geführt ist und der mit seiner Mantelfläche die Einspritzbohrungen abdeckt. Dabei bildet die Paarung Kolbenschieber und Bohrungswand eine erste Dichtung am Einspritzventil, die in vorteilhafter Weise durch einen Dichtsitz ergänzt wird, der zwischen einer konischen Ventildichtfläche am Ventilglied und einem konischen Ventilsitz am Ventilkörper gebildet ist und der dem Kolbenschieber in Strömungsrichtung des Kraftstoffes vorgeschaltet ist. Auf diese Weise läßt sich auch bei sehr hohen Einspritzdrücken eine hohe Dichtwirkung erreichen, wobei der eigentliche Dichtsitz im Inneren des Einspritzventils angeordnet und so vor einer Verschmutzung mit Verbrennungsgasen geschützt ist, so daß das erfindungsgemäße Einspritzventil eine hohe Funktionssicherheit aufweist.

Dabei sind eine Vielzahl, vorzugsweise zwei, in Achsrichtung des Ventilkörpers übereinander angeordnete Reihen von Einspritzöffnungen vorgesehen, die vom Kolbenschieber nach Durchlaufen eines bestimmten Leerhubes nacheinander freigegeben werden. Alternativ zu diesen zwei Spritzlochreihen sind auch mehr Spritzlochreihen sowie beliebige Konstellationen und Anordnungen dieser möglich. Desweiteren ist es in Kombination mit bekannten Einspritzsystemen, wie z. B. 2-Federhaltern, Common Rail- Systemen oder anderen Magnetventil-gesteuerten Einspritzsystemen möglich, mittels einer gestuften Schließkraft die Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes linear gedämpft oder mehrstufig, vorzugsweise zweistufig, zu formen, wobei sich das Ventilglied dabei nach Durchfahren jeder Öffnungshubstufe in einer Lage befindet, in der gerade eine Spritzlochreihe vollständig aufgesteuert ist. Zusätzlich zur Hubbewegung läßt sich die Einspritzrate in vorteilhafter Weise über die Anzahl, Auslegung, Anordnung und Kombination der Einspritzquerschnitte steuern. Eine Drossel am Dichtsitz, wie bei herkömmlichen Sitzlochdüsen bekannt ist, tritt nunmehr bei der Einspritzverlaufsformung nicht auf. Der engste Querschnitt ist während der gesamten Einspritzung immer nur der Einspritzquerschnitt an den Einspritzöffnungen, da durch eine geeignete Auslegung die Drosselstelle am Sitz nicht mehr wirksam ist, wenn der Einspritzquerschnitt freigegeben wird.

Die Anordnung der Einspritzöffnungen im Ventilkörper hat dabei den Vorteil, daß ihre Lage konstant ist. Zudem wirken sich Strahlwinkeländerungen des Einspritzstrahls durch teilweise verdeckte Spritzlöcher bei einem innenliegenden Schieber nicht so stark aus, wie eine Abdeckung am Spritzlochaustritt, so daß der Einspritzstrahl genauer einstellbar ist.

Aufgrund der Druckbeanspruchung des Ventilgliedes sind festigungssteigernde Maßnahmen am Ventilglied auch bei sehr hohen Einspritzdrücken nicht notwendig.

Das Einspritzventil kann dabei alternativ mit einem nach innen öffnenden oder einem nach außen öffnenden Ventilglied versehen sein, wobei jeweils eine Ringkante am Kolbenschieber des Ventilgliedes eine Steuerkante bildet, bei deren Überfahren über die Einspritzöffnungen der Beginn und das Ende der Einspritzung gesteuert wird.

Alternativ zum beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das nach außen öffnende Ventilglied auch entsprechende Quer- und Längsnuten am Kolbenschieber aufweisen, über die der Kraftstoff aus dem Hochdruckkanal zu den einzelnen Einspritzöffnungen überströmt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen sind in der Zeichnung dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen die Fig. 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem das Ventilglied nach innen vom Ventilsitz abhebt in zwei Schnittansichten und die Fig. 3 und 4 ein zweites Ausführungsbeispiel mit nach außen vom Ventilsitz abhebendem Ventilglied in einer Gesamtschnittdarstellung und in einem vergrößerten Ausschnitt des Kolbenschiebers am Ventilglied.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils weist einen Ventilkörper 1 auf, der mit seinem unteren freien Ende in einen nicht gezeigten Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragt. An seinem oberen, brennraumfernen Ende ist der Ventilkörper 1 mittels einer Spannmutter 3 axial gegen einen Ventilhaltekörper 5 verspannt, wobei zwischen Ventilkörper 1 und Ventilhaltekörper 5 eine Zwischenscheibe 7 eingespannt ist. Der Ventilkörper 1 weist eine von seiner oberen Stirnfläche ausgehende axiale Sackbohrung 9 auf, in der ein kolbenförmiges Ventilglied 11 axial verschiebbar geführt ist, dessen eines Ende in den brennraumseitigen Bereich des Ventilkörpers 1 ragt und dessen anderes, brennraumabgewandtes Ende mit einem im Durchmesser verringerten Schaftteil 13 durch die Zwischenscheibe 7 in einen im Ventilhaltekörper 5 angeordneten Federraum 15 ragt. In diesem Federraum 15 ist eine Ventilfeder 17 eingespannt, die sich an ihrem oberen, dem Ventilglied 11 abgewandten Ende an einem Gehäuseabsatz des Federraumes 15 abstützt und die andererseits über einen Federteller 19 am Ventilglied 11 angreift. Dabei ist am Ausführungsbeispiel nur eine Ventilfeder 17 gezeigt, es sind alternativ jedoch auch zwei nacheinander wirksam werdende Ventilfedern (2-Federhalter) möglich.

Das Ventilglied 11 ist mit seinem oberen Ende zunächst dichtend in der Bohrung 9 des Ventilkörpers 1 geführt, weist im Bereich eines durch eine Erweiterung der Bohrung 9 gebildeten Druckraum 21 (Fig. 2) jedoch eine Druckschulter 23 auf über die sich der Durchmesser des Ventilgliedes 11 in Richtung Brennraum verringert und an der der Kraftstoffhochdruck in Öffnungsrichtung am Ventilglied 11 angreift. Die Kraftsoffhochdruckzuführung in den Druckraum 21 erfolgt dabei über einen das Einspritzventil axial durchdringenden Druckkanal 25, an den eine nicht gezeigte Einspritzleitung angeschlossen ist, die von einer Kraftstoffeinspritzpumpe abführt.

In einem mittleren Abschnitt, stromabwärts der Druckschulter 23 weist das Ventilglied eine konische Querschnittsverringerung auf, die eine Ventildichtfläche 27 bildet, die mit einer gegenüberliegenden konischen Ventilsitzfläche 29 am Ventilkörper 1 zusammenwirkt, die an einer Durchmesserverringerung der Bohrung 9 gebildet ist. Dabei schließt sich stromabwärts der Ventildichtfläche 27 ein zylindrischer Fortsatz am Ventilglied 11 an, der einen Kolbenschieber 31 bildet, der dichtend in einem sich an den Ventilsitz 29 anschließenden Bohrungsabschnitt 33 der Bohrung 9 geführt ist und der mit seiner unteren freien Stirnfläche 35 einen Kraftstoffraum 37 im geschlossenen Ende der Bohrung 9 begrenzt. Dieser Kraftstoffraum 37 ist über eine von der Stirnfläche 35 ausgehende Längsbohrung 39 und eine diese schneidende Querbohrung 41 mit einem Ringraum 43 verbunden, der direkt an die Ventilsitzfläche 29 angrenzt. Im unteren, brennraumseitigen Ende des Ventilkörpers 1 sind Einspritzöffnungen 45 vorgesehen, die ausgehend vom Abschnitt 33 der Bohrung 9 in den Brennraum der zu versogenden Brennkraftmaschine münden, wobei vorzugsweise zwei axial übereinander angeordnete Reihen von Einspritzöffnungen 45 vorgesehen sind. Die Eintrittsöffnungen 47 der Einspritzöffnungen 45 an der Wand des Bohrungsabschnittes 33 sind dabei bei am Ventilsitz 29 anliegendem Ventilglied 11 (Einspritzventil geschlossen) von der Umfangswand des Kolbenschiebers 31 dichtend verschlossen.

Die am Übergang von der Stirnfläche 35 zur Mantelfläche des Kolbenschiebers 31 gebildete Ringkante bildet eine Steuerkante 49 des Ventilgliedes 11, deren Überfahren über die Eintrittsöffnungen 47 der Einspritzöffnungen 45 den Einspritzvorgang einleitet oder beendet.

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil arbeitet in folgender Weise.

Bei in der Fig. 2 dargestelltem geschlossenem Einspritzventil wird das Ventilglied 11 von der Ventilfeder 17 mit seiner Ventildichtfläche 27 dichtend am Ventilsitz 29 gehalten, die Einspritzöffnungen 45 sind vom Kolbenschieberteil 31 des Ventilgliedes 11 abgedeckt.

Am Beginn des Einspritzvorganges strömt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff über den Druckkanal 25 in den Druckraum 21 und greift über die Druckschulter 23 in Öffnungsrichtung am Ventilglied 11 an. Mit Erreichen eines bestimmten Einspritzdruckes übersteigt die am Ventilglied 11 angreifende Öffnungskraft die Schließkraft der Ventilfeder 17 und das Ventilglied 11 hebt vom Ventilsitz 29 ab. Dabei strömt über den geöffneten Dichtsitz nunmehr Kraftstoffhochdruck über die Bohrungen 41, 39 im Kolbenschieber 31 in den Kraftstoffraum 37, wobei der an der Stirnfläche 35 angreifende Kraftstoffdruck die nach innengerichtete Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 11 unterstützt. Nach Durchfahren eines bestimmten Leerhubes überfährt die Steuerkante 49 die untere Reihe von Einspritzöffnungen 45, deren aufgesteuerter Querschnitt einem Teileinspritzquerschnitt entspricht und über die nunmehr Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Dabei bleibt der Kraftstoffdruck kurzzeitig auf einem Niveau, so daß das Ventilglied 11 in dieser, eine erste Spritzlochreihe aufgesteuerten Lage verharrt, bis der Kraftstoffdruck weiter ansteigt und das Ventilglied 11 derart weiter verschiebt, daß auch die zweite obere Reihe von Einspritzöffnungen 45 aufgesteuert wird, so daß nunmehr die Kraftstoffeinspritzung über den gesamten Einspritzquerschnitt erfolgt.

Dabei kann diese gestufte Ventilgliedöffnungshubbewegung alternativ auch durch andere bekannte Einspritzsysteme wie z. B. 2-Federhalter, Common Rail oder magnetventilgesteuerte Pumpe-Düse-Einheiten geformt werden.

Das Ende der Einspritzung wird durch die Beendigung der Hochdruckzufuhr von der Einspritzpumpe eingeleitet, wodurch der Druck im Druckraum 21 wieder unter den notwendigen Öffnungsdruck sinkt und die Ventilfeder 17 das Ventilglied in Anlage an den Ventilsitz 29 zurückverschiebt. Dabei ergibt die dichtende Führung des Kolbenschiebers 31 in der Bohrung 9 zusätzlich zum Dichtsitz zwischen Ventildichtfläche 27 und Ventilsitz 29 eine hohe Dichtwirkung, so daß auch bei sehr hohen Einspritzdrücken oberhalb 1200 bar eine große Funktionssicherheit gewährleistet ist.

Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils unterscheidet sich zum ersten Ausführungsbeispiel im wesentlichen durch die Ventilgliedöffnungshubbewegung, die beim zweiten Ausführungsbeispiel nach außen gerichtet ist.

Dazu weist das Ventilglied 11 beim zweiten Ausführungsbeispiel an seinem brennraumseitigen unteren Ende eine den Kolbenschieber 31 bildende Durchmesservergrößerung auf, mit der es dichtend im unteren Abschnitt 33 der Bohrung 9 im Ventilkörper 1 geführt ist. Der Querschnittsübergang vom Kolbenschieber 33 zum Ventilgliedschaft bildet dabei eine konische Ventildichtfläche 27 am Ventilglied 11, die mit einer Ventilsitzfläche 29 am Ventilkörper 11 zusammenwirkt, die an einer konischen Durchmessererweiterung der Bohrung 9 zum Abschnitt 33 hin gebildet ist. Die am Übergang zwischen der Umfangsfläche des Kolbenschiebers 31 zur Ventildichtfläche 27 gebildete Ringkante bildet dabei eine Steuerkante 49, deren Überfahren über die Eintrittsöffnungen 47 der Einspritzöffnungen 45 den Beginn und das Ende der Hochdruckeinspritzung steuern. Die Einspritzöffnungen 45 sind dabei analog zum ersten Ausführungsbeispiel axial übereinanderliegend in der Wand des Ventilkörpers 1 im Bereich des Abschnitts 33 der Bohrung 9 angeordnet und werden bei der nach außen gerichteten Ventilgliedöffnungshubbewegung nacheinander von der Steuerkante 49 aufgesteuert, so daß der unter hohem Druck stehende Kraftstoff aus dem Druckkanal 25 entlang der Ventildichtfläche 27 zu den Eintrittsöffnungen 47 strömen kann und in bekannter Weise über die Einspritzöffnungen 45 zur Einspritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Dabei erfolgt die Ventilgliedöffnungshubbewegung beim zweiten Ausführungsbeispiel ebenfalls zweistufig, wobei jeder Schließkraftstufe der Rückstellmittel eine Ventilgliedöffnungshublage zugeordnet ist, bei der jeweils eine der axial übereinander angeordneten Einspritzöffnungen 45 gerade vom Kolbenschieber 31 aufgesteuert ist.

Claims (11)

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Bohrung (9) eines Ventilkörpers (1) axial verschiebbaren Ventilglied (11), das eine Dichtfläche (27) aufweist, mit der es mit einer Ventilsitzfläche (29) am Ventilkörper (1) zusammenwirkt und mit wenigstens einer Einspritzöffnung (45), die im Verlauf der Ventilgliedöffnungshubbewegung erst nach Durchfahren eines bestimmten Leerhubes und Abheben der Ventildichtfläche (27) vom Ventilsitz (29) aufsteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzöffnung (45) in der Wand des Ventilkörpers (1) vorgesehen ist und daß eine Eintrittsöffnung (47) der Einspritzöffnung (45) vom Ventilglied (11) verschließbar ist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (11) mit seinem brennraumseitigen Ende einen dichtend in der Bohrung (9) des Ventilkörpers (1) geführten Kolbenschieber (31) bildet, der die Eintrittsöffnung (47) der Einspritzöffnung (45) bei geschlossenem Einspritzventil abdeckt.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (11) stromaufwärts des Kolbenschiebers (31) eine die Ventildichtfläche (27) bildende konische Fläche aufweist, mit der es mit einer, die Ventilsitzfläche (29) bildenden konischen Querschnittsübergangsfläche an der Bohrung (9) des Ventilkörpers (1) zusammenwirkt.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von axial übereinander angeordneten Einspritzöffnungen (45) am Ventilkörper (1) vorgesehen sind, die im Verlauf des Öffnungshubes des Ventilgliedes (11) nacheinander aufsteuerbar sind.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (11) entgegen einer Rückstellkraft nach innen vom Ventilsitz (29) abhebbar ist.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (11) entgegen einer Rückstellkraft nach außen vom Ventilsitz (29) abhebbar ist.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschieber (31) mit seiner unteren freien Stirnfläche (35) einen Kraftstoffraum (37) im geschlossenen Grund der Bohrung (9) des Ventilkörpers (1) begrenzt, der über eine Längsbohrung (39) und eine diese schneidende Querbohrung (41) im Kolbenschieber (31) mit einem stromabwärts an die Ventilsitzfläche (29) angrenzenden Ringraum (43) verbunden ist. (Fig. 1, 2)

8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ringkante am Übergang zwischen der Umfangswand des Kolbenschiebers (31) und dessen Stirnfläche (35) eine Steuerkante (49) bildet, die beim Überfahren über die Eintrittsöffnung (47) der Einspritzöffnung (45) den Beginn und das Ende der Kraftstoffeinspritzung bestimmt.

9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine am Übergang zwischen der konischen Ventildichtfläche (27) zur Umfangsfläche des Kolbenschiebers (31) gebildete Ringkante am Ventilglied (11) eine Steuerkante (49) bildet, die beim Überfahren über die Eintrittsöffnung (47) der Einspritzöffnung (45) den Beginn und das Ende der Kraftstoffeinspritzung bestimmt. (Fig. 3, 4)

10. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Rückstellmittel am Ventilglied (11) vorgesehen sind, die eine im Verlauf der vollständigen Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes (11) mehrstufige Schließkraft auf das Ventilglied (11) aufbringen.

11. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schließkraftstufe eine Ventilgliedöffnungshublage zugeordnet ist, bei der jeweils eine der axial übereinander angeordneten Einspritzöffnungen (45) gerade vom Kolbenschieber (31) aufgesteuert ist.