Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil nach
der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil
ist beispielsweise aus der Schrift
DE 44 40 182 A1 bekannt. Bei einem solchen Kraftstoffeinspritzventil
ist in einem Ventilkörper eine Bohrung ausgebildet,
in der ein längsverschiebbares Ventilglied angeordnet
ist. Das Ventilglied steuert durch seine Längsbewegung
wenigstens eine Einspritzöffnung, über die Kraftstoff in den
Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
Am Ventilglied ist eine Druckfläche ausgebildet, die mit
Kraftstoff unter hohem Druck beaufschlagt werden kann, wodurch
sich eine Kraft in Längsrichtung auf das Ventilglied
ergibt. Bei Erreichen eines bestimmten Kraftstoffdrucks, der
als Öffnungsdruck bezeichnet wird, wird das Ventilglied entgegen
einer Schließkraft in Längsrichtung bewegt und gibt
dadurch die wenigstens eine Einspritzöffnung frei.
Die Schließkraft wird bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil
durch eine oder mehrere Federn erzeugt, die meist als
Spiraldruckfedern ausgebildet sind. Diese sind unter Vorspannung
im Ventilkörper angeordnet und wirken mittelbar
oder unmittelbar auf das Ventilglied. Die Schraubendruckfedern
weisen dabei den Nachteil auf, daß es durch die Reibung
der Windungen untereinander, insbesondere an den Enden der
Feder, zu einem Verschleiß kommt, so daß sich die Vorspannung
der Feder im Betrieb reduziert. Dadurch erniedrigt sich
der Öffnungsdruck des Kraftstoffeinspritzventils, so daß es
nicht mehr den Vorgaben entsprechend arbeitet. Weiter weisen
die Spiraldruckfedern den Nachteil auf, daß sich die Enden
der Federn beim Zusammenpressen leicht gegeneinander verdrehen.
Dies führt zu weiterem Verschleiß an Feder und Federauflage
und damit zu einer Abnahme der Feder-Vorspannung und
zu einem Absinken des Öffnungsdrucks des Kraftstoffeinspritzventils.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber
den Vorteil, daß die Schließkraft durch ein längselastisches
hülsenförmiges Element erzeugt wird, das keinen Verschleiß
aufweist und somit einen konstanten Öffnungsdruck des Kraftstoffeinspritzventils
gewährleistet. Das hülsenförmige Element
ist in vorteilhafter Weise als Faltenbalg ausgebildet,
der rotationssymmetrisch ausgeführt ist und somit eine
gleichmäßige Anlagekraft aufweist. Durch eine Variation der
Wandstärke des Materials und des Falzwinkels können verschiedenste
Federkonstanten erreicht werden, um den Faltenbalg
an die Erfordernisse des jeweiligen Kraftstoffeinspritzventils
anzupassen. Hierbei ist es möglich, den Faltenbalg
mit den bisher bekannten Ventilhaltekörpern zu verwenden,
so daß bis auf den Austausch der Spiralfeder durch
den Faltenbalg keine weiteren baulichen Veränderungen am
Kraftstoffeinspritzventil vorgenommen werden müssen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der
Erfindung sind die über den Umfang des Faltenbalgs verlaufenden
Kanten, die am Übergang von einer Flanke zur nächsten
entstehen, gerundet ausgebildet. Hierdurch werden Kerbspannungen
an den Kanten vermindert, wodurch sich eine höhere
Lebensdauer und eine höhere Belastbarkeit des Faltenbalgs
ergibt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes
der Erfindung sind der Zeichnung, der Beschreibung
und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. In Figur 1
ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
gezeigt, in Figur 2 eine vergrößerte Darstellung
eines erfindungsgemäßen Faltenbalgs im Längsschnitt
und in Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Faltenbalgs im Längsschnitt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Figur 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Ein Ventilkörper
1 ist unter Zwischenlage einer Zwischenscheibe 3 mittels
einer Spannmutter 5 gegen einen Ventilhaltekörper 7 in axialer
Richtung verspannt. Das Kraftstoffeinspritzventil ist
dabei in einer in der Zeichnung nicht dargestellten Brennkraftmaschine
angeordnet, wobei das freie Ende des Ventilkörpers
1 bis in einen Brennraum der Brennkraftmaschine
ragt. Im Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 12 ausgebildet, in
der ein kolbenförmiges Ventilglied 10 längsverschiebbar angeordnet
ist, wobei das Ventilglied 10 in einem brennraumabgewandten
Abschnitt in der Bohrung 12 dichtend geführt ist.
Das Ventilglied 10 verjüngt sich dem Brennraum zu unter Bildung
einer Druckschulter 11 und geht an seinem Ende in eine
Ventildichtfläche 15 über. Am brennraumseitigen Ende der
Bohrung 12 ist ein Ventilsitz 17 ausgebildet, in dem wenigstens
eine Einspritzöffnung 19 ausgebildet ist und welcher
Ventilsitz 17 mit der Ventildichtfläche 15 zusammenwirkt.
Durch eine Längsbewegung des Ventilgliedes 10 vom Brennraum
weg hebt die Ventildichtfläche 15 vom Ventilsitz 17 ab und
verbindet so die Einspritzöffnung 19 mit der Bohrung 12.
Die Druckschulter 11 ist in einem Druckraum 21 angeordnet,
der durch eine radiale Erweiterung der Bohrung 12 im Ventilkörper
1 ausgebildet ist. Der Druckraum 21 setzt sich als
ein das Ventilglied 10 umgebender Ringkanal bis zum Ventilsitz
17 fort und ist über einen im Ventilkörper 1 ausgebildeten
Zulaufkanal 23, der durch die Zwischenscheibe 3 und
den Ventilhaltekörper 7 verläuft, mit einem Hochdruckanschluß
28 verbunden. Der Hochdruckanschluß 28 ist mit einer
in der Zeichnung nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckquelle
verbunden, so daß der Druckraum 21 mit Kraftstoff unter
hohem Druck befüllt werden kann.
Das Ventilglied 10 geht brennraumabgewandt in einen Druckstift
30 über, der einen kleineren Durchmesser aufweist als
der geführte Abschnitt des Ventilgliedes 10 und der bis in
einen im Ventilhaltekörper 7 ausgebildeten Federraum 45
ragt. Es kann - abweichend von dem in der Zeichnung gezeigten
Ausführungsbeispiel - auch vorgesehen sein, daß der
Druckstift 30 den gleichen Durchmesser aufweist wie das Ventilglied
10. Der Druckstift 30 ist an seinem Ende mit einem
Federteller 32 verbunden, zwischen dem und - unter Zwischenlage
einer Ausgleichsscheibe 39 - dem brennraumabgewandten
Ende des Federraums 45 ein längselastisches, hülsenförmiges
Element angeordnet ist, das insbesondere als erster Faltenbalg
35 ausgebildet ist. Der Druckstift 30 wird durch einen
Federanschlag 33 geführt, der als zylinderförmiges Element
ausgebildet ist, das den Druckstift 30 umgibt und das etwa
in der Mitte des Federraums 45 ortsfest angeordnet ist. Der
Federanschlag 33 unterteilt so den Federraum 45 in einen ersten
Federraum 145, in dem sich der erste Faltenbalg 35 befindet,
und in einen zweiten Federraum 245, der zwischen dem
Federanschlag 33 und der Zwischenscheibe 3 ausgebildet ist.
In der Zwischenscheibe 3 ist eine Anschlaghülse 25 angeordnet,
die den Druckstift 30 umgibt und bis in den zweiten Federraum
245 ragt. Dort geht die Anschlaghülse 25 in eine
Ausgleichsscheibe 27 über, zwischen der und dem Federanschlag
33 ein längselastisches, hülsenförmiges Element insbesondere
in Form eines zweiten Faltenbalgs 37 unter Vorspannung
angeordnet ist, wobei der zweite Faltenbalg 37 den
Druckstift 30 umgibt. Am Übergang des Ventilgliedes 10 zum
Druckstift 30 ist eine Anschlagschulter 13 ausgebildet, die
bei der Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 10 vom Brennraum
weg an der Anschlaghülse 25 zur Anlage kommt.
Der Federraum 45 ist über einen Ablaufkanal 41 mit einem in
der Zeichnung nicht dargestellten Leckölsystem verbunden.
Das Innere des ersten Faltenbalgs 35 ist dabei mit dem Federraum
45 beispielsweise über radial verlaufende Nuten im
Federteller 32 verbunden, so daß ein Kraftstofffluß aus dem
Federraum 45 in den Ablaufkanal 41 ermöglicht wird.
Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie
folgt: Zu Beginn der Einspritzung wird das Ventilglied 10
durch die Kraft des ersten Faltenbalgs 35, der über den
Druckstift 30 mittelbar auf das Ventilglied 10 wirkt, mit
der Ventildichtfläche 15 gegen den Ventilsitz 17 gepreßt.
Hierdurch wird die wenigstens eine Einspritzöffnung 19 verschlossen,
und es kann kein Kraftstoff aus dem Druckraum 21
in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangen. Wird nun
Kraftstoff über den Zulaufkanal 23 in den Druckraum 21 eingeführt,
erhöht sich dort der Kraftstoffdruck, bis die hydraulische
Kraft auf die Druckschulter 11 größer ist als die
Kraft des ersten Faltenbalgs 35. Das Ventilglied 10 bewegt
sich in Längsrichtung vom Brennraum weg, wodurch die Ventildichtfläche
15 vom Ventilsitz 17 abhebt und den Druckraum 21
mit der Einspritzöffnung 19 verbindet. Die Hubbewegung des
Ventilglieds 10 wird solange fortgesetzt, bis dessen Anschlagschulter
13 an der Anschlaghülse 25 zur Anlage kommt.
Da im Druckraum 21 zu diesem Zeitpunkt ein noch relativ geringer
Kraftstoffdruck herrscht und das Ventilglied 10 nur
einen Teil seiner gesamten Öffnungshubbewegung durchfahren
hat, findet nur eine gedrosselte Voreinspritzung von Kraftstoff
in den Brennraum der Brennkraftmaschine statt. Da das
Ventilglied 10 über die Anschlaghülse 25 nun auch mit dem
zweiten Faltenbalg 37 verbunden ist, ist eine weitere Fortsetzung
der Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 10 von
diesem Zeitpunkt an nur gegen die Kraft der beiden Faltenbälge
35 und 37 möglich. Dazu muß erst im Druckraum 21 durch
den über den Zulaufkanal 23 nachströmenden Kraftstoff ein
höheres Kraftstoffdruckniveau aufgebaut werden, so daß das
Ventilglied 10 in der Voreinspritzstellung eine gewisse Zeit
verharrt. Übersteigt schließlich die hydraulische Kraft auf
die Druckschulter 11 die Kraft der beiden Faltenbälge 35 und
37, so setzt das Ventilglied 10 seine Öffnungshubbewegung
fort, bis die Anschlaghülse 25 an einer in der Zwischenscheibe
3 ausgebildeten Anschlagfläche zur Anlage kommt und
die Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 10 beendet. In
dieser Position des Ventilgliedes 10 findet die Haupteinspritzung
des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine
statt. Das Ende der Einspritzung wird dadurch initiiert,
daß die Kraftstoffzufuhr durch den Druckkanal 23 in
den Druckraum 21 unterbrochen wird. Hierdurch sinkt der
Kraftstoffdruck im Druckraum 21 ab und das Ventilglied 10
wird durch die Kraft des ersten Faltenbalgs 35 und des zweiten
Faltenbalgs 37 in Richtung auf den Ventilsitz 17 gedrückt,
bis die Ventildichtfläche 15 am Ventilsitz 17 zur
Anlage kommt und die wenigstens eine Einspritzöffnung 19
verschließt.
In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßer Faltenbalg vergrößert
im Längsschnitt dargestellt. Der Faltenbalg 35 weist eine
Längsachse 40 auf und ist rotationssymmetrisch ausgebildet.
Der Faltenbalg 35 besteht aus einzelnen kegelstumpfförmigen
Elementen, die mit ihren Rändern in abwechselnder Orientierung
aneinander grenzen. Jeweils zwei benachbarte kegelstumpfförmige
Elemente bilden ein Faltsegment, das eine
Falzhöhe H aufweist. Weiter wird der Faltenbalg 35 durch
geometrische Abmessungen, wie die Wandstärke a, den Innendurchmesser
d, den Außendurchmesser D und den Falzwinkel α,
charakterisiert, wobei der Falzwinkel α dem von zwei kegelstumpfförmigen
Elementen eingeschlossenen Winkel entspricht.
Über die Änderung des Materials und der geometrischen Abmessungen
des Faltenbalgs läßt sich die Längselastizität, die
der Federkonstanten bei den bekannten Schraubendruckfedern
entspricht, in weiten Bereichen variieren. Als Material zur
Herstellung des Faltenbalgs ist vor allem Metall geeignet,
vorzugsweise Federstahl.
In Figur 3 ist ein Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Faltenbalgs gezeigt.
Der Faltenbalg 35 weist wie in Figur 2 geometrische Abmessungen,
wie einen Innendurchmesser d, einen Außendurchmesser
D und einen Falzwinkel α auf, jedoch sind hier die radial
äußeren und/oder die radial inneren Kanten, die am Übergang
der kegelstumpfförmigen Elemente gebildet sind, mit einem
Rundungsradius R gerundet, so daß Kerbspannungen am Übergang
dieser Elemente vermindert werden. Der Faltenbalg 35 erhält
dadurch eine längere Lebensdauer und erreicht eine höhere
Verformbarkeit und damit eine höhere Belastbarkeit. Der Rundungsradius
R kann dabei den Erfordernissen entsprechend angepaßt
werden.
Die Herstellung des Faltenbalgs kann mit verschiedenen Verfahren
geschehen. Möglich ist die Herstellung durch einen
spanenden Prozeß, durch Kaltumformen, durch das Rohraufblasverfahren
oder durch Sinterverfahren, wie das Metallformspritzverfahren.
Für die Funktion des Kraftstoffeinspritzventils ist es nicht
erforderlich, daß alle Faltsegmente des Faltenbalgs gleich
ausgebildet sind. Wenn es zweckdienlich sein sollte, kann
die Falzhöhe der Faltsegmente innerhalb des Faltenbalgs variieren.
Ebenso ist es möglich, statt eines einstückigen
Faltenbalgs mehrere Faltenbälge mit unterschiedlichen Längselastizitäten
aneinanderzureihen.
Neben dem in Figur 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil
kann der erfindungsgemäße Faltenbalg 35, 37 auch in jedem
anderen Kraftstoffeinspritzventil verwendet werden, bei dem
eine Schließkraft auf ein Ventilglied ausgeübt werden soll.