EP1321661B1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents
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- F02M61/1866—Valve seats or member ends having multiple cones
Definitions
- the invention is based on a fuel injection valve for internal combustion engines, as is known from the document DE 199 42 370 A1 is known.
- a valve needle is arranged longitudinally displaceably in the bore of a valve body, wherein between the wall of the bore and the valve needle is formed with a fuel can be filled under high pressure pressure space.
- a plurality of injection openings is formed in the valve body, through which the bore is connected to the combustion chamber of the internal combustion engine.
- a conical valve seat is formed, on which the valve needle comes into abutment with a valve sealing surface in its closed position. In the closed position of the valve needle, the fuel from the pressure chamber can not flow to the injection openings.
- the valve sealing surface has two conical surfaces, with the first conical surface located upstream of the second conical surface, and both conical surfaces directly adjacent one another.
- the opening angle of the first conical surface is smaller than the opening angle of the valve seat, which in turn is smaller than the opening angle of the second conical surface.
- the valve needle is moved in the bore by the hydraulic pressure acting on parts of the valve sealing surface against a closing force directed to the valve seat.
- the pressure at which the valve needle just lifts off the valve seat is called the opening pressure.
- This is dependent on the hydraulically effective seat diameter of the valve needle on the valve seat, which corresponds to the diameter of the sealing edge in the geometry described above. However, this only applies as long as no deformations of valve needle and valve seat occur. In operation, there is always an elastic and, in particular after prolonged operation, a plastic deformation of the valve sealing surface through the valve needle. Thus, the hydraulically effective seat diameter of the valve needle can change over time and thus also the opening pressure.
- the DE 19 820 513 A1 discloses a fuel injection valve according to the preamble of claim 1.
- the fuel injection valve according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the hydraulically effective diameter of the valve needle is maintained at the valve seat over the entire life without the stiffness of the valve needle is reduced.
- two mutually parallel annular grooves are formed in the valve seat, each extending in radial planes to the longitudinal axis of the bore. The valve needle rests against the valve seat between the two annular grooves. As a result, the area of the valve seat against which the valve needle rests is limited, and thus also the hydraulically effective seat diameter of the valve needle.
- the difference angle between the first conical surface and the conical valve seat is greater than the difference angle between the second conical surface and the valve seat.
- the first annular groove is configured as a flat depression of the bore. In this way, the first annular groove can be produced in a simple manner with high precision. It is particularly advantageous here that the first annular groove remains connected to the pressure chamber without further measures, so that the valve sealing surface is acted upon by the fuel pressure in the pressure chamber at any time.
- FIG. 1 an embodiment of the fuel injection valve according to the invention is shown in longitudinal section.
- a bore 3 is formed, which has a longitudinal axis 8 and in which a piston-shaped valve needle 5 is arranged longitudinally displaceable.
- a conical valve seat 9 is arranged, in which at least one injection opening 11 is formed, which opens into the mounting position of the fuel injection valve in the combustion chamber of the internal combustion engine.
- the valve needle 5 is sealingly guided in a guide section 23 of the bore 3 and tapers to the combustion chamber to form a pressure shoulder 13.
- the valve needle 5 is in a valve sealing surface 7, which abuts the valve seat 9 in the closed position of the valve needle 5.
- a pressure chamber 19 is formed which is radially expanded at the level of the pressure shoulder 13.
- the pressure in the space 19 constantly or temporarily high fuel pressure builds.
- the valve needle 5 is acted upon by a device, not shown in the drawing, with a closing force acting on the valve needle 5 in the direction of the valve seat 9. Characterized the valve needle 5 is pressed with the valve sealing surface 7 against the valve seat 9, so that no fuel from the pressure chamber 19 can reach the injection openings 11.
- the pressure in the pressure chamber 19 is increased until, when an opening pressure is reached, the hydraulic force on the pressure shoulder 13 and on parts of the valve sealing surface 7 exceeds the closing force.
- the valve needle 5 then lifts off with its valve sealing surface 7 from the valve seat 9, and fuel flows from the pressure chamber 19 between the valve sealing surface 7 and the valve seat 9 through the injection openings 11 and is injected from there into the combustion chamber.
- the injection is terminated either by an increase in the closing force or by an interruption of the fuel supply into the pressure chamber 19.
- the valve needle 5 slides, driven by the closing force, back into contact with the valve seat 9 in its closed position and thus interrupts the fuel supply to the injection openings eleventh
- FIG. 2 shows an enlargement of the FIG. 1 in the region of the valve seat 9.
- the valve sealing surface 7 is divided into a first conical surface 30 and a second conical surface 32, wherein an annular edge 34 is formed at the transition of the two surfaces.
- the opening angle of the first conical surface 30 is in this case smaller than the opening angle of the conical valve seat 9, which in turn is smaller than the opening angle of the second conical surface 32 in the valve seat 9, a first annular groove 36 is formed and a second annular groove 38 parallel thereto, wherein both annular grooves 36,38 with respect to the longitudinal axis 8 of the bore 3 lie in a radial plane.
- the first annular groove 36 is used as a countersink of the bore 3 carried out, thereby forming an annular shoulder 37 is formed.
- the edge 40 formed at the transition of the annular shoulder 37 to the valve sealing surface 9 and the second annular groove 38 bound the part of the valve seat 9, which serves as a contact surface 10 for the valve needle 5.
- the annular edge 34 is arranged in the closed position of the valve needle 5 either within this portion of the valve seat 9 or at the level of the second annular groove 38.
- valve needle 9 and the valve body 1 were ideally rigid, then the valve needle 5 and the valve seat 9 would contact the second annular groove 38 only at the annular edge 34 or at the transition of the valve seat 9. Due to the occurring elastic deformations, the valve needle 5 is located on the entire contact surface 10 or at least on the largest part thereof, so that reduce the surface pressures occurring accordingly.
- the two annular grooves 36,38 is ensured in any case that the contact surface 10 can not grow beyond the limited by the annular grooves 36,38 area.
- the applied by the fuel pressure in the pressure chamber 19 partial surface of the first conical surface 30 is determined and thus the opening pressure of the valve needle 5, since this is in addition to the surface of the pressure shoulder 13 and the corresponding part surface of the valve sealing surface 7 determinative.
- the difference angle d 1 between the first conical surface 30 and the valve seat 9 is smaller than the difference angle d 2 between the second conical surface 32 and the valve seat 9, which corresponds to the so-called inverse seat angle difference. This additionally prevents that by hamming the annular edge 34 in the valve seat 9, the hydraulically acted upon by the fuel in the pressure chamber 19 surface is changed and thereby causes a change in the opening pressure.
- FIG. 3 a further embodiment is shown, wherein the same section as in FIG. 2 is shown.
- the valve seat 9 extends to the wall of the bore 3.
- the first annular groove 36 is formed in the same way as the second annular groove 38, but it has a greater depth and comprises a larger area of the valve seat 9.
- the contact surface 10 is again through the both annular grooves 36,38 limited, being ensured by the relatively large first annular groove 36, that this always remains hydraulically connected to the pressure chamber 19.
- the opening angle of the valve seat 9 is about 55 ° to 65 °, preferably about 60 °.
- the corresponding difference angles d 1 and d 2 to the conical surfaces 30, 32 of the valve sealing surface 7 are a few degrees, preferably 0.5 ° to 3 °.
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Description
- Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, wie es aus der Schrift
DE 199 42 370 A1 bekannt ist. Bei diesem Kraftstoffeinspritzventil ist eine Ventilnadel in der Bohrung eines Ventilkörpers längsverschiebbar angeordnet, wobei zwischen der Wand der Bohrung und der Ventilnadel ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum ausgebildet ist. Am brennraumseitigen Ende der Bohrung ist im Ventilkörper mehrere Einspritzöffnungen ausgebildet, durch die die Bohrung mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbunden ist. Ebenfalls am brennraumseitigen Ende ist ein konischer Ventilsitz ausgebildet, an dem die Ventilnadel in ihrer Schließstellung mit einer Ventildichtfläche zur Anlage kommt. In der Schließstellung der Ventilnadel kann der Kraftstoff aus dem Druckraum nicht zu den Einspritzöffnungen fließen. Durch Abheben der Ventilnadel vom Ventilsitz fließt Kraftstoff aus dem Druckraum zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz hindurch den Einspritzöffnungen zu und wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. - Um eine sichere Abdichtung am Ventilsitz zu erreichen weist die Ventildichtfläche zwei konische Flächen auf, wobei die erste konische Fläche stromaufwärts der zweiten konischen Fläche angeordnet ist und beide konischen Flächen direkt aneinander grenzen. Der Öffnungswinkel der ersten konischen Fläche ist hierbei kleiner als der Öffnungswinkel des Ventilsitzes, welcher wiederum kleiner ist als der Öffnungswinkel der zweiten konischen Fläche. Dadurch wird am Übergang der beiden konischen Flächen eine Ringkante gebildet, die in Schließstellung der Ventilnadel am Ventilsitz zur Anlage kommt und durch die relativ hohe Flächenpressung eine gute Dichtheit erzeugt.
- Die Ventilnadel wird in der Bohrung durch den hydraulischen Druck, der auf Teile der Ventildichtfläche wirkt, entgegen einer auf den Ventilsitz gerichteten Schließkraft bewegt. Der Druck, bei dem die Ventilnadel gerade eben vom Ventilsitz abhebt, wird als Öffnungsdruck bezeichnet. Dieser ist abhängig vom hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser der Ventilnadel am Ventilsitz, welcher bei der oben beschriebenen Geometrie dem Durchmesser der Dichtkante entspricht. Dies gilt jedoch nur, solange keine Verformungen von Ventilnadel und Ventilsitz auftreten. Im Betrieb kommt es stets zu einer elastischen und, insbesondere nach längerem Betrieb, zu einer plastischen Verformung der Ventildichtfläche durch die Ventilnadel. So kann sich der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser der Ventilnadel mit der Zeit ändern und damit auch der Öffnungsdruck. Um dem entgegenzuwirken ist es aus der Schrift
DE 196 34 933 A1 bekannt, zwischen den beiden konischen Flächen der Ventildichtfläche eine Ringnut in die Ventilnadel einzubringen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Steifigkeit der Ventilnadel vermindert wird, was im Bereich der Ringnut zu einer Verformung der Ventilnadel führen kann. Dadurch wäre die Funktionsfähigkeit des gesamten Kraftstoffeinspritzventils in Frage gestellt. - Die
DE 19 820 513 A1 offenbart ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. - Vorteile der Erfindung
- Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der hydraulisch wirksame Durchmesser der Ventilnadel am Ventilsitz über die gesamte Lebensdauer erhalten bleibt, ohne dass die Steifigkeit der Ventilnadel vermindert wird. Hierzu sind im Ventilsitz zwei zueinander parallele Ringnuten ausgebildet, die jeweils in Radialebenen zur Längsachse der Bohrung verlaufen. Die Ventilnadel liegt hierbei zwischen den beiden Ringnuten am Ventilsitz an. Hierdurch wird die Fläche des Ventilsitzes, an der die Ventilnadel anliegt, begrenzt und damit auch der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser der Ventilnadel.
- In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist der Differenzwinkel zwischen der ersten konischen Fläche und dem konischen Ventilsitz größer als der Differenzwinkel zwischen der zweiten konischen Fläche und dem Ventilsitz. Dadurch wird die Konstanz des hydraulisch wirksamen Sitzdurchmessers weiter unterstützt.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Ringnut als Flachsenkung der Bohrung ausgestaltet. Auf diese Weise lässt sich die erste Ringnut in einfacher Art und Weise mit hoher Präzision herstellen. Besonders vorteilhaft ist hier, dass die erste Ringnut ohne weitere Maßnahmen stets mit dem Druckraum verbunden bleibt, damit die Ventildichtfläche vom Kraftstoffdruck im Druckraum zu jedem Zeitpunkt beaufschlagt ist.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.
- In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt
-
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritzventil, -
Figur 2 eine Vergrößerung vonFigur 1 im Bereich des Ventilsitzes und -
Figur 3 denselben Ausschnitt wieFigur 2 eines weiteren Ausführungsbeispiels. - In
Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils im Längsschnitt dargestellt. In einem Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 3 ausgebildet, die eine Längsachse 8 aufweist und in der eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar angeordnet ist. Am brennraumseitigen Ende der Bohrung 3 ist ein konischer Ventilsitz 9 angeordnet, in dem wenigstens eine Einspritzöffnung 11 ausgebildet ist, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum der Brennkraftmaschine mündet. Die Ventilnadel 5 ist in einem Führungsabschnitt 23 der Bohrung 3 dichtend geführt und verjüngt sich dem Brennraum zu unter Bildung einer Druckschulter 13. An ihrem brennraumseitigen Ende geht die Ventilnadel 5 in eine Ventildichtfläche 7 über, die in Schließstellung der Ventilnadel 5 am Ventilsitz 9 anliegt. Zwischen der Ventilnadel 5 und der Wand der Bohrung 3 ist ein Druckraum 19 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 13 radial erweitert ist. In diese radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet eine im Ventilkörper 1 verlaufende Zulaufbohrung 25, über die der Druckraum 19 mit einer Kraftstoffhochdruckquelle verbunden ist, die im Druckraum 19 ständig oder zeitweise einen hohen Kraftstoffdruck aufbaut. Die Ventilnadel 5 wird durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung mit einer Schließkraft beaufschlagt, die auf die Ventilnadel 5 in Richtung des Ventilsitzes 9 wirkt. Dadurch wird die Ventilnadel 5 mit der Ventildichtfläche 7 gegen den Ventilsitz 9 gepresst, so dass kein Kraftstoff aus dem Druckraum 19 zu den Einspritzöffnungen 11 gelangen kann. Soll eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine stattfinden, so wird der Druck im Druckraum 19 soweit erhöht, bis bei Erreichen eines Öffnungsdrucks die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 13 und auf Teile der Ventildichtfläche 7 die Schließkraft übersteigt. Die Ventilnadel 5 hebt dann mit ihrer Ventildichtfläche 7 vom Ventilsitz 9 ab, und es fließt Kraftstoff aus dem Druckraum 19 zwischen der Ventildichtfläche 7 und dem Ventilsitz 9 hindurch den Einspritzöffnungen 11 zu und wird von dort in den Brennraum eingespritzt. Die Einspritzung wird entweder durch eine Erhöhung der Schließkraft oder durch eine Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr in den Druckraum 19 beendet. Die Ventilnadel 5 gleitet, getrieben von der Schließkraft, zurück in Anlage am Ventilsitz 9 in ihre Schließstellung und unterbricht so die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzöffnungen 11. -
Figur 2 zeigt eine Vergrößerung derFigur 1 im Bereich des Ventilsitzes 9. Die Ventildichtfläche 7 unterteilt sich in eine erste konische Fläche 30 und eine zweite konische Fläche 32, wobei am Übergang der beiden Flächen eine Ringkante 34 ausgebildet ist. Der Öffnungswinkel der ersten konischen Fläche 30 ist hierbei kleiner als der Öffnungswinkel des konischen Ventilsitzes 9, welcher wiederum'kleiner ist als der Öffnungswinkel der zweiten konischen Fläche 32. Im Ventilsitz 9 ist eine erste Ringnut 36 ausgebildet und eine dazu parallele zweite Ringnut 38, wobei beide Ringnuten 36,38 bezüglich der Längsachse 8 der Bohrung 3 in einer Radialebene liegen. Die erste Ringnut 36 ist als Flachsenkung der Bohrung 3 ausgeführt, so dass dadurch ein Ringabsatz 37 gebildet wird. Die am Übergang des Ringabsatzes 37 zur Ventildichtfläche 9 gebildete Kante 40 und die zweite Ringnut 38 begrenzen den Teil des Ventilsitzes 9, der als Anlagefläche 10 für die Ventilnadel 5 dient. Die Ringkante 34 ist in Schließstellung der Ventilnadel 5 entweder innerhalb dieses Abschnitts des Ventilsitzes 9 oder auf Höhe der zweiten Ringnut 38 angeordnet. - Wären die Ventilnadel 9 und der Ventilkörper 1 ideal starr, so würden sich die Ventilnadel 5 und der Ventilsitz 9 nur an der Ringkante 34 oder am Übergang des Ventilsitzes 9 zur zweiten Ringnut 38 berühren. Aufgrund der auftretenden elastischen Verformungen liegt die Ventilnadel 5 auf der gesamten Anlagefläche 10 auf oder zumindest auf dem größten Teil derselben, so dass sich die auftretenden Flächenpressungen entsprechend reduzieren. Durch die beiden Ringnuten 36,38 ist auf jeden Fall sichergestellt, dass die Anlagefläche 10 nicht über die durch die Ringnuten 36,38 begrenzte Fläche hinaus anwachsen kann. Dadurch wird auch die vom Kraftstoffdruck im Druckraum 19 beaufschlagte Teilfläche der ersten konischen Fläche 30 festgelegt und damit auch der Öffnungsdruck der Ventilnadel 5, da hierfür neben der Fläche der Druckschulter 13 auch die entsprechende Teilfläche der Ventildichtfläche 7 bestimmend ist.
- Der Differenzwinkel d1 zwischen der ersten konischen Fläche 30 und dem Ventilsitz 9 ist kleiner als der Differenzwinkel d2 zwischen der zweiten konischen Fläche 32 und dem Ventilsitz 9, was der sogenannten inversen Sitzwinkeldifferenz entspricht. Dadurch wird zusätzlich verhindert, dass durch das Einhämmern der Ringkante 34 in den Ventilsitz 9 die hydraulisch vom Kraftstoff im Druckraum 19 beaufschlagte Fläche verändert wird und dadurch eine Änderung des Öffnungsdrucks bewirkt.
- In
Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei derselbe Ausschnitt wie inFigur 2 dargestellt ist. Der Ventilsitz 9 reicht hierbei bis zur Wand der Bohrung 3. Die erste Ringnut 36 ist in gleicher Weise wie die zweite Ringnut 38 ausgebildet, jedoch weist sie eine größere Tiefe auf und umfasst einen größeren Bereich des Ventilsitzes 9. Die Anlagefläche 10 wird wiederum durch die beiden Ringnuten 36,38 begrenzt, wobei durch die relativ große erste Ringnut 36 sichergestellt ist, dass diese stets mit dem Druckraum 19 hydraulisch verbunden bleibt. - Der Öffnungswinkel des Ventilsitzes 9 beträgt etwa 55° bis 65°, vorzugsweise etwa 60°. Die entsprechenden Differenzwinkel d1 und d2 zu den konischen Flächen 30,32 der Ventildichtfläche 7 betragen wenige Grad, vorzugsweise 0,5° bis 3°.
Claims (6)
- Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem in einer Bohrung (3) eine kolbenförmige Ventilnadel (5) längsverschiebbar angeordnet ist, wobei zwischen der Ventilnadel (5) und der Wand der Bohrung (3) ein mit Kraftstoff befüllbarer Druckraum (19) angeordnet ist, aus dem Kraftstoff wenigstens einer am brennraumseitigen Ende der Bohrung (3) ausgebildeten Einspritzöffnung (11) zufließen kann, und mit einem am brennraumseitigen Ende der Bohrung (3) ausgebildeten konischen Ventilsitz (9), mit dem die Ventilnadel (5) mit einer an ihrem brennraumseitigen Ende ausgebildeten Ventildichtfläche (7) zur Steuerung der wenigstens einen Einspritzöffnung (11) zusammenwirkt, wobei an der Ventildichtfläche eine erste konische Fläche (30) und eine zweite konische Fläche (32) ausgebildet sind, wobei die erste konische Fläche (30) einen Öffnungswinkel aufweist, der kleiner als der Öffnungswinkel des Ventilsitzes (9) ist, welcher wiederum kleiner als der Öffnungswinkel der zweiten konischen Fläche (32) ist, und dass zwischen den beiden konischen Flächen (30; 32) eine Ringkante (34) ausgebildet ist, wobei im Ventilsitz (9) eine in einer Radialebene der Bohrung (3) verlaufende erste Ringnut (36) ausgebildet ist und eine stromabwärts der ersten Ringnut (36) und parallel zu dieser angeordneten zweiten Ringnut (38), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ringnut (36) als Flachsenkung der Bohrung (3) ausgebildet ist, wobei am Übergang der ersten Ringnut (36) zum Ventilsitz (9) eine Kante (40) gebildet wird, so dass der durch die Kante (40) und die zweite Ringnut (38) begrenzte Teil des Ventilsitzes (9) als Anlagefläche (10) für die Ventilnadel (5) dient, wobei die Ventilnadel (5) in ihrer Schließstellung auf der gesamten Anlagefläche (10) oder zumindest auf dem größten Teil derselben aufliegt.
- Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkante (34) in Schließstellung der Ventilnadel (5) innerhalb der zweiten Ringnut (38) liegt.
- Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzwinkel (d2) der zweiten konischen Fläche (32) mit dem konischen Ventilsitz (9) größer ist als der Differenzwinkel (d2) zwischen der ersten konischen Fläche (30) und dem Ventilsitz (9).
- Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel des konischen Ventilsitzes (9) zumindest näherungsweise 60° beträgt.
- Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöffnungen (11) stromabwärts der zweiten Ringnut (38) in den Ventilsitz (9) münden.
- Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ringnut (36) stets mit den Druckraum (19) hydraulisch verbunden ist.
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