DE69712201T2 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschine - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Zweitaktkreuzkopfmotor, mit einem äußeren Gehäuse und einem am hinteren Ende liegenden Befestigungsflansch und einer Einspritzdüse, die vorne aus dem Gehäuse herausragt, und mit einer Kraftstoffleitung, welche in der Mitte des Einspritzventils verläuft, wobei die Kraftstoffleitung von dem Befestigungsflansch durch mindestens ein Druckstück, eine zentrale Kraftstoffröhre, eine Spindel und eine Spindelführung verläuft und in der Einspritzdüse endet, wobei die Spindelführung eine zentrale Bohrung besitzt, deren runde zylindrische Innenfläche die Führungsfläche für die Spindel darstellt, wobei die Kraftstoffröhre einen vorderen Abschnitt, der um mehr als die Hälfte in die zentrale Bohrung der Spindelführung hineinreicht und dessen äußerer Durchmesser kleiner ist als ein hinterer Abschnitt und wobei am Übergang zwischen den beiden Abschnitten eine ringförmige Fläche vorhanden ist, welche axial in die Richtung der Einspritzdüse zeigt, und eine hintere Federführung für eine vorgespannte Schließfeder aufweist, wobei die Spindel eine zentrale, nach hinten offene Bohrung, in welche der vordere Abschnitt der Kraftstoffröhre eingeführt ist, sowie einen vorderen Spindelabschnitt mit einer Ventilnadel, welche mit einer stationären Sitzfläche in der Bohrung der Spindelführung zum Öffnen und zum Schließen des Einspritzventils zusammenarbeitet, sowie eine vordere Federführung für die Schließfeder aufweist, wobei sich die Federführung in einem hinteren Spindelabschnitt befindet, der aus der Bohrung der Spindelführung herausragt und die Schließfeder die Spindel nach vorne in Schließrichtung bewegt, und mit einer ringförmigen Abschlussfläche am hinteren Teil der Spindel, welche so ausgeführt ist, dass sie durch die nach hinten gerichtete Öffnungsbewegung der Spindel an die ringförmige Fläche der Kraftstoffröhre anstößt, wobei die Spindelführung durch mindestens eine Druckhülse, die an die ringförmige, nach hinten zeigende Fläche der Spindelführung anstößt und nach hinten bis über die Schließfeder hinaus reicht, nach vorne in das Einspritzventilgehäuse gepresst wird und das Druckstück beim Zusammenbau des Einspritzventils mit gleichzeitiger Kompression der Schließfeder durch den Befestigungsflansch nach vorne gepresst wird.
• Solch ein Einspritzventil ist aus DK-B-155757 bekannt; darin wird ein Einspritzventil für die automatische Einspritzung von schnell zündfähigem Öl und gasförmigem Kraftstoff beschrieben. Die Druckhülse dient hier als Führung für einen externen Absperrschieber zur Öffnung und zum Verschluss der Gaszufuhr. Die Kraftstoffröhre dient an ihrem hinteren Ende als Ventilgehäuse für ein Belüftungsventil und erstreckt sich daher integral längs entlang des Hauptteils des Einspritzventils. Die Spindel zur Öffnung und zum Verschluss des Ventils für das einströmende Öl ist so konstruiert, dass sie auf der Innenseite einen relativ großen Abstand zur Kraftstoffröhre und auf der Außenseite zur zentralen Bohrung der Spindelführung hat. Damit soll vermieden werden, dass die Spindel sich verkantet oder auf Grund einer ungenauen Ausrichtung zwischen der verlängerten Kraftstoffröhre und der zentralen Bohrung der Spindelführung ungleichmäßig abgenutzt wird.
• DK-B-167 502 (EP-A 0 606 371) hat zum Inhalt ein Kraftstoffeinspritzventil, bei welchem die Schließfeder in einem zentralen Hohlraum in der Gleitführung aufgenommen wird und zusammen mit dem hinteren Abschnitt der Gleitführung eine integrierte zentrale Kraftstoffröhre gebildet wird. Dieser Fall erfordert außerdem einen relativ großen Abstand zwischen dem Bodenstück der Spindel und der Bohrung in der Spindelführung, bzw. dem vorderen Abschnitt der Kraftstoffröhre, um die herstellungsbedingten Toleranzzugaben und den daraus resultierenden Mangel an vollständiger Koaxialität zwischen Kraftstoffröhre und der Bohrung in der Gleitführung zu kompensieren.
• Ein weiteres, etwas unterschiedlich konstruiertes Einspritzventil ist aus DE-A-20 30 445 bekannt. Hier gleitet eine Hohlspindel mit einer relativ dünnen Wand in den ringförmigen Hohlraum zwischen einer Kraftstoffröhre und einer Bohrung in der Spindelführung. Das hintere Ende der Spindel verfügt über eine massive vordere Federführung für die Schließfeder. Die Öffnungsbewegung der Spindel wird in diesem Fall dadurch begrenzt, dass die hintere Oberfläche der Federführung mit ihrem größten Durchmesser einen Vorsprung im Gehäuse des Einspritzventils berührt. Dadurch wird auf die dünne Wand der Spindel ein Biegemoment ausgeübt und diese nach außen gebogen. Um ein Verkanten der Spindel zu vermeiden, muss ein relativ großer Abstand zwischen der Spindel und den sie auf beiden Seiten umgebenden ringförmigen Flächen vorhanden sein. Die Kraftstoffröhre ist zweigeteilt, wobei die Verbindungsfläche über der hinteren Federführung liegt. Beim Zusammenbau des Einspritventils ist kein Element vorhanden, welches vor dem Zusammenpressen der beiden Teile von Beginn an eine Positionierung der beiden Röhrenteile gewährleistet, und es besteht daher das Risiko einer Fehlpositionierung der aneinander anstoßenden Röhrenflächen. An der Verbindungsfläche kann es daher zu Lecks kommen, was dazu führt, dass unterschiedliche Kraftstoffmengen eingespritzt werden. Ein weiterer Nachteil dieses Einspritzventils besteht darin, dass die Vorspannung der Druckfeder dadurch festgelegt wird, wie tief das Druckstück in das Gehäuse des Einspritzventils eingespannt wird. Dadurch weist eine Reihe von identischen Einspritzventilen einen unterschiedlichen Öffnungsdruck auf.
• Die bekannten Kraftstoffeinspritzventile mit einer Hohlspindel zwischen einer zentralen Kraftstoffröhre und einer Bohrung in der Spindelführung haben den Vorteil, dass die Masse der beweglichen Spindel erheblich kleiner ist als bei massiven Spindeln, und dass die relativ kleine Masse des beweglichen Teils des Einspritzventils schnelle Ventilbewegungen zulässt. Jedoch leiden Hohlspindeln unter dem Nachteil, dass sie zwischen zwei ringförmigen Flächen hin und her gleiten, wobei das Risiko besteht, dass sich die Spindel bei einer Deformation der Spindelwand verkantet. Um dem entgegen zu wirken und dem Mangel an Koaxialität auszugleichen, ist der Abstand zwischen der Spindel und den angrenzenden ringförmigen Flächen relativ groß, was die Möglichkeit eröffnet, dass sich die Spindel quer in eine leicht exzentrische Position verschiebt, in welcher der Abstand zwischen der Spindel und der zentralen Bohrung der Spindelführung, bzw. der Kraftstoffleitung, auf einer Seite der Längsachse des Einspritzventils größer ist als auf der anderen. Obwohl die Querverschiebungen sehr klein sind, führen sie dazu, dass während einer Einspritzsequenz unterschiedliche Kraftstoffvolumina durch die Spalten austreten. Im Vergleich zu einer quer verschobenen Position der Spindel verringert sich bei vollständig koaxialer Ausrichtung der Spindel das Austrittsvolumen um 50 bis 70 Prozent. Folglich ergeben sich bei unterschiedlichen Einspritzungen von Kraftstoff mit dem gleichen Ventil und unveränderten Einspritzparametern, wie Lieferdruck und Kraftstoffvolumen für das Einspritzventil, Unterschiede in Bezug auf das tatsächlich eingespritzte Kraftstoffvolumen. Je nach Einspritzventil ergeben sich außerdem Unterschiede in Bezug auf das eingespritzte Kraftstoffvolumen, obgleich diese identische Einstellungen besitzen und auf dieselbe Weise mit Kraftstoff versorgt werden.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Reproduzierbarkeit der eingespritzten Kraftstoffvolumina und das Erzielen einer genaueren Kontrolle des Einspritzvorgangs bei einem Kraftstoffeinspritzventil des in der Einleitung erwähnten Typs.
• In Anbetracht dessen ist das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Durchmesser der hinteren Federführung der Kraftstoffröhre kleiner ist als der innere Durchmesser der Druckhülse, dass die Kraftstoffröhre eine separate Einheit ist, die das dahinter liegende Ventilteil ausschließlich über eine Widerlagerfläche berührt, welche auf der Rückseite der hinteren Federführung angebracht ist und eine ringförmige Fläche besitzt, welche die zentrale Kraftstoffleitung umgibt und im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Einspritzventils ist, und dass die Spindel im vorderen, in die Bohrung der Spindelführung eingeführten Spindelabschnitt einen äußeren Durchmesser hat, der höchstens 8 um kleiner ist als der innere Durchmesser der Bohrung der Spindelführung, und einen inneren Durchmesser hat, der höchstens 8 um größer ist als der äußere Durchmesser des vorderen Abschnitts der Kraftstoffröhre.
• Da die Spindel in dieser Konstruktion nur geringfügig größer ist als die Kraftstoffröhre und geringfügig kleiner ist als die Bohrung der Spindelführung, wird die Möglichkeit einer Querverschiebung zwischen den verschiedenen Einspritzvorgängen im Wesentlichen verringert, und zwar kommt es typischerweise zu weniger als halb so vielen Verschiebungen wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Einspritzventilen dieses Typs. Da eine Leckage des Kraftstoffs durch die Reibung der Flüssigkeit an der Zylinderfläche im Wesentlichen verringert wird, führt selbst eine kleine Einschränkung des größtmöglichen Abstands zwischen den Flächen zu einer spürbaren Reduktion der Unterschiede in Bezug auf das Leckagevolumen. Durch die so erzielten, einheitlicheren Volumina des eingespritzten Kraftstoffs ergibt sich eine präzisere Verbrennung mit der gewünschten Energieentwicklung, der, Kraftstoffverbrauch der Kraftmaschine wird gesenkt und die Möglichkeit der Begrenzung der Entwicklung unerwünschter und für die Umwelt schädlicher Emissionsprodukte, wie beispielsweise Nox, verringert, sowie eine bessere Kontrolle der thermische Belastung der Zylinderteile und der Ablagerung der Verbrennungsreste gewährleistet. Dieses ist insbesondere bei großen Zweitakt-Dieselmotoren von Vorteil, welche häufig qualitativ minderwertigen Kraftstoff verbrennen.
• Eine Bedingung für die engen Passformen zwischen der Spindel und der Kraftstoffröhre und der Bohrung in der Spindelführung ist, dass die drei Ventilteile bei Betrieb des Einspritzventils zueinander genau ausgerichtet sind. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Einspritzventilen führen selbst kleine Ungenauigkeiten in der Ausrichtung der drei Ventilteile oder eine uneinheitliche Belastung der Spindel vom vorliegenden röhrenförmigen, dünnwandigen Typ zu einer uneinheitlichen Abnutzung der Spindel und/oder zu deren Verkantung, beispielsweise als Ergebnis kleiner nach außen gerichteter Ausbuchtungen der Spindelwand. Bei der Erfindung wird dies vermieden, indem die Kraftstoffröhre von den dahinter liegenden Ventilteilen getrennt ist, so dass die Kraftstoffröhre nur den Abschnitt der Kraftstoffleitung enthält, welche von der hinteren Federführung der Schließfeder bis in die Spindel hinein reicht. Beim Zusammenbau der Teile des Einspritzventils im Einspritzgehäuse kann die Spindel in die Spindelführung eingeführt, die Kraftstoffröhre mit Hilfe der Schließfeder auf der Spindel befestigt, die Druckhülse am hinteren Ende der Spindelführung herunter gedrückt und dann das Einspritzgehäuse mit diesen Einspritzteilen entlang einer vertikalen Zentralachse orientiert werden. Die feine Passform zwischen Spindel, Spindelführung und Kraftstoffröhre bedeutet, dass sich die Teile bei einer Ausrichtung entlang einer vertikalen Zentralachse und ohne Belastung gegenseitig koaxial ausrichten, woraufhin die anderen Teile des Ventils in das Gehäuse eingefügt und der Befestigungsflansch angebracht wird. Sind die anderen Teile befestigt, wird das hinter der Kraftstoffröhre liegende Ventilteil in die Druckhülse eingeführt, bevor das Teil nach vorne in die Nähe der Kraftstoffröhre bewegt wird. Dadurch wird zu Beginn eine Führung des Teils gewährleistet und dessen Querverschiebung zum Zeitpunkt des Kontakts mit der Kraftstoffröhre verhindert. Während das Einspritzventil weiter zusammengepresst wird, wird das Ventilteil nach unten gedrückt, damit es an die obere ringförmige Widerlagerfläche auf der Kraftstoffröhre anstößt, so dass durch die Reibung zwischen der Widerlagerfläche und dem Ventilteil die Position der Kraftstoffröhre in korrekter Weise fixiert wird und zwar mit passender Koaxialität in Bezug auf die Spindelführung. Für die Fixierung der korrekten Position der Kraftstoffröhre ist es wichtig, dass sich die Widerlagerfläche im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Einspritzventils befindet, so dass beim Zusammenbau keine querverschiebenden Kräfte auf die Widerlagerfläche einwirken. Aus dem gleichen Grund muss zwischen der hinteren Federführung und der Druckhülse ein Spiel vorhanden sein, so dass die Federführung sich trotz Kontakt mit der Druckhülse ungehindert ausrichten kann.
• Der äußere Durchmesser des vorderen Spindelabschnitts ist vorzugsweise 2 bis 4 um kleiner als der innere Durchmesser der Bohrung der Spindelführung und der innere Durchmesser des Spindelabschnitts ist 2 bis 4 um größer als der äußere Durchmesser des vorderen Abschnitts der Kraftstoffröhre. Durch diese enge Passform werden Unterschiede in Bezug auf austretende Volumina weitgehend eliminiert und die Abstände zwischen der beweglichen Spindel und der stationären Spindelführung und der Kraftstoffröhre ist gerade groß genug, damit sich die Spindel problemlos in die Längsrichtung verschieben kann.
• Eine weitere bevorzugte Ausführungsform weist im Vergleich zum vorderen Spindelabschnitt einen wesentlich größeren Unterschied zwischen dem Durchmesser der inneren Spindelfläche und der äußeren Fläche der Kraftstoffröhre auf und zwar vom hinteren Ende der Spindel bis mindestens zur vorderen Federführung, vorzugsweise bis zum dem sich in der Bohrung der Spindelführung befindenden vorderen Spindelabschnitt. So kann beispielsweise im hinteren Bereich der Spindel zwischen der Spindel und der Kraftstoffröhre ein Abstand vorhanden sein, der 0,1 mm größer ist als der Abstand der beiden Teile im vorderen Spindelabschnitt. Daraus ergibt sich, dass im Bereich entlang des vorderen Spindelabschnitts durch die länglichen Ringschlitze auf den äußeren und inneren Oberflächen der Spindel hindurch etwa der gleiche Druckabfall stattfindet. Daraus wiederum ergibt sich, dass die Wand der Spindel im vorderen Spindelabschnitt keiner radial einwirkenden Druckdifferenz standhalten muss; deshalb kann die Spindel mit einer sehr geringen Wandstärke im vorderen Spindelabschnitt hergestellt werden.
• Die Erfindung stellt außerdem eine Reihe von unterschiedlichen Maßnahmen zur Verringerung der Spindelmasse bereit. Es ist möglich, die vordere Federführung der Spindel mit einer konischen Vorderfläche und in ihrem größten Durchmesser mit der geringsten Stärke auszustatten. Der vordere Spindelabschnitt kann außerdem eine geringere Wandstärke als der vordere Abschnitt der Kraftstoffröhre aufweisen. Die Masse des vorderen Endes der Spindel im die Ventilnadel umgebenden Bereich kann um die Länge der schrägen Durchgangsöffnungen von der Unterseite der zentralen Bohrung der Spindel bis zur Kammer um die Ventilnadel verringert werden, was weniger als 35 Prozent des äußeren Durchmessers des vorderen Spindelabschnitts beträgt, was die Tatsache widerspiegelt, dass die vordere Abschlusswand der Spindel eine geringe Stärke aufweist. Die Masse in diesem Bereich kann weiter verringert werden, indem die Ventilnadel eine zentrale Bohrung aufweist, welche an ihrem Ende nach vorne geöffnet ist. Die letztgenannte Möglichkeit ergibt jedoch nur eine eingeschränkte Verringerung der Masse. Diese verschiedenen Optionen können individuell verwendet werden. Bei kombinierter Anwendung mehrerer Optionen ist es möglich, eine Spindel zu erhalten, welche in Relation zur Größe des Einspritzventils eine extrem geringe Masse aufweist.
• Die Verringerung der Spindelmasse stellt eine weitere Verbesserung sowohl der Reproduzierbarkeit des eingespritzten Kraftstoffvolumens als auch der präzisen Kontrolle des Einspritzvorgangs dar. Dies liegt daran, dass die geringere Spindelmasse beim Öffnen und Schließen des Einspritzventils zu schnelleren Spindelbewegungen führt und außerdem die Spindel und der Ventilsitz weniger abgenutzt werden, da die auf den Ventilsitz einwirkende Kraft und der Anschlag der Öffnungsbewegung mit der leichteren Spindel geringer sind. Die schnelle Öffnung des Ventils ermöglicht einen abrupten Beginn der Einspritzung des Kraftstoffs, was eine gute und gründliche Atomisierung des zuerst eingespritzten Kraftstoffvolumens und daher eine gut definierte und schnelle Entzündung des Kraftstoffs ermöglicht. Der schnelle Verschluss des Einspritzventils ist noch wichtiger, da dadurch ein plötzlicher Abbruch der Verbrennung gewährleistet und die. Menge des während der Schließbewegung eingespritzten Kraftstoffs unter nachteiligen Bedingungen, beispielsweise bei geringen Druck und bei einer unzureichenden Einspritzgeschwindigkeit (g Kraftstoff/s), verringert wird. Dieser am Schluss eingespritzte Kraftstoff trägt maßgeblich zur Bildung von Emissionsprodukten, wie beispielsweise NOX, bei, stellt eine erhebliche thermische Belastung für die Zylinderteile und die Rußablagerungen darauf dar und führt zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch. Die leichtere Spindel verringert die Menge des unter ungünstigen Bedingungen eingespritzten Kraftstoffs und erhöht den unter optimalen Bedingungen eingespritzten Anteil des Gesamtkraftstoffvolumens pro Injektion.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist der äußere Durchmesser der Widerlagerfläche der Kraftstoffröhre auf der Rückseite der hinteren Federführung kleiner als der äußere Durchmesser des vorderen Abschnitts der Kraftstoffröhre. Erstens hat der geringere äußere Durchmesser der Widerlagerfläche den Effekt, dass ein kleiner Winkel zwischen den Längsachsen der Kraftstoffröhre und dem dahinter liegenden Ventilteil nicht zu Lecks an der Widerlagerfläche führt, da die herstellungsbedingte Rauheit der beiden komprimierten Flächen kleine Fehlausrichtungen kompensiert, und zwar so, dass die aufgerauten Flächen in der Seite, an der die Flächen am dichtesten beieinander liegen, komprimiert werden und an der schräg gegenüberliegenden Seite eine dichtende Berührung haben. Zweitens führt der geringe äußere Durchmesser der Widerlagerfläche dazu, dass der Anpressdruck zwischen den Widerlagerflächen immer höher ist als der vorhandene Kraftstoffdruck bei der Kraftstoffzuleitung. Beim Schließen des Einspritzventils wird durch die rückwärts gerichtete Krafteinwirkung der Feder auf die hintere Federführung und die rückwärts gerichtete Krafteinwirkung auf die Kraftstoffröhre auf Grund des Kraftstoffdrucks an der vorderen Abschlussfläche der Kraftstoffröhre der Flächendruck zwischen den Widerlagerflächen hergestellt. Ist das Einspritzventil geöffnet, wirkt der Kraftstoffdruck mit einer größeren rückwärts gerichteten Kraft auf die Kraftstoffröhre ein, da der Kraftstoffdruck auf das gesamte Vorderende der Spindel einwirkt, und diese rückwärts gerichtete Kraft wird von der Spindel über die axial ausgerichtete ringförmige Fläche auf der Kraftstoffröhre auf die Kraftstoffröhre übertragen. Die äußeren und inneren Durchmesser der hinteren Widerlagerfläche der Kraftstoffröhre haben im Wesentlichen dieselben Abmessungen wie die äußeren, bzw. inneren Durchmesser des vorderen Spindelabschnitts, wobei solche Abmessungen einen vollständigen und direkten axialen Kräftefluss in der Spindelwand gewährleisten.
• In einer Konstruktion, die besonders einfach zu fertigen und zusammenzubauen ist, ist das Kraftstoffeinspritzventil zur Injektion von erwärmtem Kraftstoff, wie Schweröl, vorgesehen, wobei das Ventilteil hinter der Kraftstoffröhre ein Ventilgehäuse für ein Ventil zur Kraftstoffzirkulation ist und das ringförmige hintere Ende der Druckhülse auf der Rückseite einer ringförmigen Aussparung im Vorderteil der äußeren Fläche des Ventilgehäuses an eine nach vorne gerichtete Widerlagerfläche anstößt, wobei die Länge der Druckhülse die Vorspannung der Schließfeder bestimmt. Mit dieser Konstruktion liegt die Druckhülse im befestigten Ventil zwischen zwei ringförmigen Widerlagerflächen auf der Spindelführung, bzw. dem Ventilgehäuse, und schafft einen gut definierten und im Voraus festgelegten Abstand zwischen dem Ventilsitz in der Spindelführung und der vorderen Fläche des an die Widerlagerflächen auf der Kraftstoffröhre angrenzenden Ventilgehäuses. Da die Ventilspindel die vordere Federführung und die Kraftstoffröhre die hintere Federführung der Schließfeder trägt, wird Letztere beim Zusammenbau des Einspritzventils in einer eindeutigen Weise vorgespannt; ebenso hat die Spindel eine wohl definierte und im Voraus festgelegte Weg- oder Hubhöhe aus der geschlossenen in die geöffnete Position. Die Vorspannung und der Hub der Spindel können bei Verwendung des Einspritzventils bei einem bestimmten Motor beispielsweise genau eingestellt werden und zwar durch Veränderung der Länge, bzw. eine kürzere Länge, der Druckhülse, während andere Dinge unverändert bleiben, was zu einer höheren Vorspannung und einer geringeren Hubhöhe führt. Es stellt eine erhebliche Erleichterung beim Zusammenbau des Einspritzventils dar, dass die Teile des Einspritzventils nur soweit zusammengepresst werden müssen, dass sich eine korrekte Vorspannung der Feder und dadurch ein korrekter Öffnungs- und Schließdruck für das Einspritzventil ergeben. Dies schließt die erheblichen Variationen der Vorspannung der Feder und deshalb auch des Öffnungsdrucks von einem Ventil zum nächsten aus; dies gilt für Ventile, bei denen die Vorspannung der Feder durch ein mehr oder weniger starkes Festschrauben des Befestigungsflanschs auf das Einspritzventilgehäuse eingestellt wird.
• Eine weitere Vereinfachung des Zusammenbaus kann dadurch erzielt werden, dass die Spindelführung, die Spindel, die Schließfeder, die Kraftstoffröhre, die Druckhülse und das Ventilgehäuse des Zirkulationsventils vorweg zu einer Einheit zusammengesetzt werden, in der das Ventilgehäuse und die Spindelführung über die Druckhülse gegeneinander verriegelt sind. Dadurch wird es möglich, eine vollständige und im Voraus zusammengesetzte Ersatzeinheit für ein Einspritzventil bereitzustellen, so dass der Austausch der wichtigsten Teile sehr schnell erfolgen kann. Die Verriegelung kann beispielsweise durchgeführt werden, indem die Druckhülse auf die Spindelführung und das Ventilgehäuse aufgeschrumpft wird, oder indem die Position der Druckhülse relativ zu den beiden anderen Teilen durch einen, in querliegende, angeschlossene Bohrungen in der Druckhülse und dem fraglichen Teil eingeführten Stift fixiert wird, nachdem die Druckhülse auf die beiden Teile des Einspritzventils gedrückt wurde.
• Zweckmäßig kann in der Längsachse des Einspritzventils ein durchgehender Hohlraum zwischen den Innenflächen des Gehäuses des Einspritzventils und den Außenflächen des Ventilgehäuses, der Druckhülse und der Spindelführung angelegt werden. Dieser Hohlraum hat den Vorteil, dass die stationären Teile des Einspritzventils innerhalb des Gehäuses des Einspritzventils zwischen zwei Punkten fixiert sind, beispielsweise einer vorderen Fläche auf der Innenfläche des Befestigungsflanschs und einer hinteren Fläche auf der Einspritzdüse, was eine kreisförmig symmetrische Belastung der Teile des Einspritzventils gewährleistet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Hohlraum als Abfluss für austretenden Kraftstoff dient.
• Ein Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung wird nun nachfolgend in weiteren Einzelheiten und mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, welche einen Teillängsschnitt durch das erfindungsgemäße Einspritzventil zeigt.
• Das Kraftstoffeinspritzventil, allgemein bezeichnet mit 1, besitzt einen Befestigungsflansch 2 mit einem Einlassnippel 3, der mit einer Hochdruckleitung von einer Kraftstoffquelle, nicht gezeigt, verbunden werden kann. Die Kraftstoffquelle kann beispielsweise eine Kraftstoffkolbenpumpe wie vom Bosch-Typ sein, welche durch eine Nocke oder eine Nockenwelle periodisch angetrieben wird, oder ein Hochdrucktank, der über Kontrollventile periodisch mit dem Einlassnippel 3 verbunden wird. Der Kraftstoff kann flüssig oder gasförmig sein oder aus solidem Kraftstoffschlamm oder aus Emulsionen bestehen, die mindestens einen dieser Aggregatzustände enthalten. Das Ventil kann auch zur Einspritzung von flüssigen oder gasförmigen Additiven, alleine oder in Mischungen, zur Verbrennung benutzt werden.
• Mit Hilfe einer Überwurfmutter 5 wird ein äußeres Gehäuse 4 für das Einspritzventil an den Befestigungsflansch geklemmt, welches wiederum mittels Bolzen durch die im Flansch vorhandenen Löcher 6 am Motorzylinder befestigt werden kann. Eine Kraftstoffleitung 34 erstreckt sich von der Öffnung 7 im Einlassnippel mitten durch das Einspritzventil bis zu einer Einspritzdüse 8, von welcher der Kraftstoff über die Düsenöffnungen, nicht gezeigt, in die Arbeitskammer der Brennkraftmaschine, eingespritzt werden kann.
• Eine Spindelführung 9 wird über eine Druckhülse 10, ein Ventilgehäuse 11 und ein Druckstück 12, welches an die nach vordere Innenfläche des Befestigungsflansches anstößt, nach unten gegen die Innenfläche der Einspritzdüse gedrückt. Die Druckhülse besitzt etwa denselben äußeren Durchmesser wie das Ventilgehäuse 11 und die Rückseite der Spindelführung 9 und wird in eine, in jedem dieser Teile vorhandene ringförmige Vertiefung eingeführt, so dass die axial ausgerichteten ringförmigen Abschlussflächen der Druckhülse 10 an die axial ausgerichteten ringförmigen Widerlagerflächen 13, 14 auf der Spindelführung und dem Ventilgehäuse angrenzen.
• In die Bohrungen im Ventilgehäuse 11 wird ein Ventilkörper 15 eingeführt und durch eine relativ schwache Druckfeder 16 in die gezeigte Position gebracht. Eine hervorstehende vordere Widerlagerfläche 17 am Vorderende des Ventilgehäuses stößt an eine korrespondierende hintere ringförmige Widerlagerfläche 18 auf einem hervorstehenden Abschnitt am Hinterende einer zentralen Kraftstoffröhre 19, und die aneinander stoßenden Flächen der beiden im Wesentlichen parallelen und ebenen Widerlagerflächen befinden sich in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Einspritzventils liegt.
• Unmittelbar unter der Widerlagerfläche 18 weist die Kraftstoffröhre einen hervorstehenden Kragen 20 auf, der als hintere Federführung für eine Schließfeder 21 dient, welche eine mechanische Druckfeder herkömmlicher Art ist. Vorne an der Federführung setzt sich die Kraftstoffröhre in einem ringförmigen zylindrischen hinteren Abschnitt 22 fort, dessen äußerer Durchmesser etwas geringer ist als der innere Durchmesser der Feder. Der hintere Abschnitt endet vorne in einer ringförmigen Fläche 23, welche sich senkrecht zur Längsachse des Einspritzventils befindet. Die Fläche 23 bildet einen Übergang zwischen dem hinteren Abschnitt der Kraftstoffröhre und einem vorderen Abschnitt 24, welcher einen geringeren Durchmesser hat und bis hinunter in eine Bohrung 25 verläuft, die sich nach hinten zu einer Spindel 26 und zum Vorderende der Kraftstoffröhre hin öffnet, welche sich unweit vom Boden der Bohrung 25 befindet. Der geringe Abstand ist größer als die Hubhöhe der Spindel.
• Die Spindelführung 9 hat eine zentrale Bohrung mit einer ringförmigen zylindrischen Innenfläche 27 in einem Abschnitt, die eine Führungsfläche für die Spindel darstellt. Vorne an diesem Abschnitt weist die Spindelführung eine Druckkammer 28 mit einem konischen, stationären Ventilsitz auf, der mit einem korrespondierenden konischen, beweglichen Ventilsitz am Vorderende einer Ventilnadel 29 am Vorderende der Spindel zusammenarbeitet. Vorne am Ventilsitz verläuft die Bohrung der Spindelführung bis zur zentralen Bohrung in der Einspritzdüse 8.
• Die Spindel 26 hat eine vordere Federführung 30 im Form eines vorstehenden Kragens, dessen Rückseite sich senkrecht zur Längsachse des Einspritzventils befindet und dessen Vorderfläche 31 konisch geformt ist. Die Schließfeder befindet sich zwischen den beiden Federführungen 20 und 30 und innerhalb der Druckhülse 10. Beim Zusammenbau der Teile des Einspritzventils wird die Schließfeder auf einen vorgespannten Zustand komprimiert. Die durch die Feder auf der vorderen Federführung 30 der Spindel ausgeübte und vorwärts gerichtete Schließkraft hat ein sehr präzises Maß, da die Kompression der Feder beim Zusammenbau durch die Länge der Druckhülse 10 und die Länge der nicht belasteten Schließfeder bestimmt wird.
• Der Durchmesser der Innenfläche der Spindel ist 2 bis 4 um größer als der äußere Durchmesser des Vorderabschnitts 24 der Kraftstoffröhre, und der äußere Durchmesser des vorderen Spindelabschnitts 32, der in die Bohrung der Spindelführung eingeführt ist, ist 2 bis 4 um kleiner als der innere Durchmesser der Bohrung 27. Die Wandstärke des vorderen Spindelabschnitts ist etwa 30 Prozent geringer als die Wandstärke des vorderen Abschnitts der Kraftstoffröhre 24. Die vordere Abschlusswand der Spindel am Boden der Bohrung 25 weist eine relativ geringe Wandstärke auf, wobei die ringförmige, die Ventilnadel 29 umgebende Abschlussfläche zur Längsachse des Einspritzventils nahezu senkrecht ist. Die schrägen Bohrungen 33, welche die Bohrung 25 mit der Druckkammer 28 verbinden, sind auf Grund der geringen Wandstärke kürzer als 35 Prozent des äußeren Durchmessers des Abschnitts 32.
• Die zentrale Kraftstoffleitung 34 erstreckt sich vom Einlassnippel 7 durch das Druckstück 12 bis zu einer zentralen Bohrung 35 im Ventilkörper 15, wo die Zuleitung sich in mehrere schräge Bohrungen 36 verzweigt, die sich in eine Druckkammer 38 öffnen, welche sich über einer Ventilnadel 37 befindet. Vorne an dem mit der Ventilnadel 37 zusammenarbeitenden stationären Ventilsitz verläuft die Kraftstoffleitung zentral durch die Vorderseite des Ventilgehäuses 11, durch die Widerlagerflächen 17 und 18 und weiter nach vorne durch die Kraftstoffröhre 19, die sich zum Boden der Bohrung 25 in der Spindel hin öffnet, von wo die Kraftstoffleitung durch schräge Bohrungen 33, die Druckkammer 28 und den Düsenöffnungen, nicht gezeigt, in die Einspritzdüse 8 hinein verläuft.
• Abflussöffnungen 39 ermöglichen den Abfluss von ausgetretenem Kraftstoff aus dem Hohlraum um die Schließfeder 21 in eine durchgehende. Aussparung, die sich an der Innenseite des Gehäuses des Einspritzventils in Längsrichtung des Einspritzventils befindet. Dieser Kraftstoff fließt nach außen in den Hohlraum um die Druckfeder 16 über einen seitlich ausgerichteten Abflusskanal 40 im vorderen Teil des Druckstücks 12. Abflussöffnungen 41 im Ventilgehäuse 11 bringen den zirkulierenden Kraftstoff zu einer Kammer 42, Von der aus eine Rückflussleitung, nicht gezeigt, den Kraftstoff vom Einspritzventil weg transportiert. Die Kraftstoffzirkulation bei geschlossenem Einspritzventil gewährleistet, dass das Kraftstoffsystem eine geeignet hohe Temperatur aufrecht erhält.
• Sobald der Kraftstoffdruck, zu Beginn eines Einspritzvorgangs zu steigen beginnt, steigt auch der Druck in der Druckkammer 38 und der Ventilkörper wird durch eine nach hinten gerichtete Kraft, welche die von der Druckfeder 16 ausgehende Kraft überwiegt, beeinflusst, woraufhin der Ventilkörper nach hinten verschoben wird und den Abflusskanal 40 schließt. Der Kraftstoffdruck breitet sich dann durch die Kraftstoffleitung hinunter bis zur Druckkammer 28 aus. Erreicht der Kraftstoffdruck hier den Öffnungsdruck des Einspritzventils, wird die Spindel 26 durch eine nach hinten gerichtete Kraft, welche größer ist als die Kraft der Schließfeder 21, bewegt, was die Spindel nach hinten verschiebt und zwar soweit, bis die ringförmige Abschlussfläche der Spindel die ringförmige Fläche 23 auf der Kraftstoffröhre trifft. Die Oberfläche 23 fungiert daher als Anschlag für die Bewegung der Spindel und bestimmt die Hubhöhe der Spindel. Für den Kraftstoffzugang öffnet sich die Spindelverlagerung zur Einspritzdüse, was die Einspritzung einleitet. Fällt am Ende des Einspritzvorgangs der Lieferdruck des Kraftstoffs, fällt auch der Druck in der Kammer 28 auf eine Weise, dass die Schließfeder den hinteren Druck des Kraftstoffs auf die Spindel überwindet, wonach die Spindel in die geschlossene Startposition zurückkehrt, in der die Ventilnadel 29 an den angeschlossenen Sitz anstößt und den Zugang zur Einspritzdüse schließt.
• Für eine Spindel von der gezeigten dünnwandigen Ausführung ist es wichtig, dass Deformationen der zylindrischen Spindelwand vermieden werden und dass die hintere Abschlussfläche der Spindel sich in einer axialen Erweiterung der zylindrischen Spindelwand befindet, da dadurch sichergestellt wird, dass die von der Spindel gegen die Oberfläche 23 einwirkende Kraft nur axial gerichtete Kräfte auf die Spindel überträgt.
• Liegt bei geschlossenem Einspritzventil kein Bedarf für die Zirkulation des erwärmten Kraftstoffs vor, kann das Einspritzventil durch Entfernung des Zirkulationsventils vereinfacht werden. In diesem Fall können das Druckstück 12 und das Ventilgehäuse 11 als eine gesamte druckstückähnliche Einheit mit einer zentralen Bohrung geformt werden, die den Abschnitt der Kraftstoffleitung 34 darstellt, welcher den Einlassnippel 7 mit der zentralen Leitung in der Kraftstoffröhre verbindet.
• Es ist ferner möglich, das Einspritzventil für den Gebrauch in Verbindung mit der Einspritzung mehrerer verschiedener Flüssigkeiten zu erweitern, beispielsweise indem oben beschriebene Elemente des Einspritzventils in Verbindung mit einem Einspritzventil der Art, wie es in der oben genannten dänischen Patentschrift No. 155757 beschrieben ist, angewendet werden. Ein solches Einspritzventil kann beispielsweise zur Einspritzung von Gas und einströmendem Öl verwendet werden, oder zur Einspritzung eines Kraftstoffs und einer anderen Flüssigkeit, welche den Verbrennungsvorgang modifiziert, z. B. Wasser, was zur Verringerung der Bildung von unerwünschten Emissionsprodukten beiträgt.

Claims (12)

1. Kraftstoffeinspritzventil (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Zweitaktkreuzkopfmotor, mit einem äußeren Gehäuse (4) und einem Befestigungsflansch (2) an ihrem hinteren Ende und einer Einspritzdüse (8), die vorne aus dem Gehäuse herausragt, sowie einer Kraftstoffleitung (34), welche in der Mitte des Einspritzventils verläuft, wobei die Kraftstoffleitung von dem Befestigungsflansch durch mindestens ein Druckstück (12), eine zentrale Kraftstoffröhre (19), eine Spindel (26) und eine Spindelführung (9) verläuft und in der Einspritzdüse endet,

wobei die Spindelführung eine zentrale Bohrung (27) besitzt, deren runde zylindrische Innenfläche die Führungsfläche der Spindel darstellt,

und wobei die Kraftstoffröhre einen vorderen Abschnitt (24), der um mehr als die Hälfte in die zentrale Bohrung der Spindelführung hineinreicht und dessen äußerer Durchmesser kleiner als der eines hinteren Abschnitts (22) ist und wobei am Übergang zwischen den beiden Abschnitten eine ringförmige Fläche (23) vorhanden ist, welche axial in die Richtung der Einspritzdüse zeigt, sowie eine hintere Federführung (20) für eine vorgespannte Schließfeder (21) aufweist,

wobei die Spindel eine zentrale nach hinten offene Bohrung (25), in welche der vordere Abschnitt der Kraftstoffröhre eingeführt ist, sowie einen vorderen Spindelabschnitt (32) mit einer Ventilnadel (29), welche mit einer stationären Sitzfläche in der Bohrung der Spindelführung zum Öffnen und Schließen des Einspritzventils zusammenarbeitet, sowie eine vordere Federführung (30) für die Schließfeder aufweist, wobei sich die Federführung in einem hinteren Spindelabschnitt befindet, der aus der Bohrung der Spindelführung hervorsteht, und die Schließfeder die Spindel nach vorne in die Schließrichtung bewegt, sowie eine ringförmige Abschlussfläche an hinteren Ende der Spindel, welche so ausgebildet ist, dass sie bei der nach hinten gerichteten Öffnungsbewegung der Spindel an die ringförmige Fläche (23) der Kraftstoffröhre anstößt,

wobei die Spindelführung durch mindestens eine Druckhülse (10), welche an eine ringförmige Fläche (13) anstößt, die auf der Spindelführung nach hinten zeigt und nach hinten an der Schließfeder vorbei verläuft, nach vorne in das Gehäuse des Einspritzventils gedrückt wird, und wobei das Druckstück (12) durch den Befestigungsflansch beim Zusammenbau des Einspritzventils bei gleichzeitiger Kompression der Schließfeder nach vorne gepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Durchmesser der hinteren Federführung (20) der Kraftstoffröhre kleiner ist als der innere Durchmesser der Druckhülse (10), dass die Kraftstoffröhre (19) eine separate Einheit ist, welche ausschließlich ein dahinter liegendes Ventilteil über eine Widerlagerfläche (18) berührt, die auf der Rückseite der hinteren Federführung angebracht ist und eine ringförmige Oberfläche hat, welche die zentrale Kraftstoffleitung (34) umgibt und im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Einspritzventils ist, und dass die Spindel (26) im vorderen, in die Bohrung der Spindelführung (27) eingeführten Spindelabschnitt (32) einen äußeren Durchmesser aufweist, der höchstens 8 um geringer ist als der innere Durchmesser der Bohrung der Spindelführung, und einen inneren Durchmesser, der höchstens 8 um größer ist als der äußere Durchmesser des vorderen Abschnitts (24) der Kraftstoffröhre.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Durchmesser des vorderen Spindelabschnitts 2 bis 4 um kleiner ist als der innere Durchmesser der Bohrung der Spindelführung, und dass der innere Durchmesser dieses Spindelabschnitts 2 bis 4 um größer ist als der äußere Durchmesser des vorderen Abschnitts der Kraftstoffröhre.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vom hinteren Ende der Spindel bis mindestens zur vorderen Federführung, vorzugsweise bis zum vorderen, sich in der Bohrung der Spindelführung befindenden Spindelabschnitt, ein substantiell größerer Durchmesserunterschied zwischen der inneren Spindelfläche und der äußeren Fläche der Kraftstoffröhre vorhanden ist als im vorderen Spindelabschnitt.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 -3, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Federführung (30) der Spindel eine konische Vorderseite (31) und im Bereich ihres größten Durchmessers die geringste Wandstärke aufweist.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Spindelabschnitt (32) eine geringere Wandstärke aufweist als der vordere Abschnitt (24) der Kraftstoffröhre.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der schrägen Bohrungen (33) vom Boden der zentralen Bohrung der Spindel (25) bis zur die Ventilnadel (29) umgebenden Kammer kleiner ist als 35 Prozent des Durchmessers des vorderen Spindelabschnitts.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (29) eine zentrale Bohrung aufweist, die im Bereich ihrer Abschlussfläche nach vorne offen ist.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Durchmesser der Widerlagerfläche (18) der Kraftstoffröhre auf der Rückseite der hinteren Federführung (29) kleiner ist als der äußere Durchmesser des vorderen Abschnitts (24) der Kraftstoffröhre.

9. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere und der innere Durchmesser der hinten liegenden Widerlagerfläche (18) der Kraftstoffröhre im Wesentlichen die gleichen Abmessungen haben wie der äußere, bzw. der innere Durchmesser des vorderen Spindelabschnitts (32).

10. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff zur Einspritzung von erwärmtem Kraftstoff, wie beispielsweise Schweröl, vorgesehen ist, dass das Ventilelement hinter der Kraftstoffröhre ein Ventilgehäuse (11) für ein Kraftstoffzirkulationsventil darstellt, und dass das ringförmige hintere Ende der Druckhülse (10) an eine vordere Widerlagerfläche (14) am hinteren Ende einer ringförmigen Aussparung im vorderen Teil der. Außenseite des Ventilgehäuses anstößt, wenn das zusammengebaut wird, wobei die Länge der Druckhülse die Vorspannung der Schließfeder (21) bestimmt.

11. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelführung, die Spindel, die Schließfeder, die Kraftstoffröhre, die Druckhülse und das Ventilgehäuse des Zirkulationsventils vorweg in eine Einheit zusammengesetzt sind, in der das Ventilgehäuse und die Spindelführung über die Druckhülse gegeneinander verriegelt sind.

12. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Längsrichtung des Einspritzventils zwischen der Innenseite des Gehäuses des Einspritzventils (4) und der Außenseite des Ventilgehäuses, der Druckhülse und der Spindelführung ein durchgehender Hohlraum befindet.