EP1373715B1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, wie es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 196 18 650 A1 bekannt ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper auf, in dem eine Bohrung ausgebildet ist. In dieser Bohrung ist ein kolbenförmiges Ventilglied längsverschiebbar angeordnet, das an seinem brennraumseitigen Ende eine Ventildichtfläche aufweist, die mit einem am brennraumseitigen Ende der Bohrung ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt. Das Ventilglied ist von einem im Ventilkörper ausgebildeten Druckraum umgeben, wobei dieser Druckraum mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist und sich bis zum Ventilsitz erstreckt. Im Ventilsitz ist wenigstens eine Einspritzöffnung ausgebildet, die die Bohrung und damit den Druckraum mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. Durch eine Längsbewegung des Ventilgliedes hebt das Ventilglied mit der Ventildichtfläche vom Ventilsitz ab, so daß der Druckraum mit den Einspritzöffnungen verbunden wird. Hierbei ist der Ventilsitz im wesentlichen konisch ausgebildet, wobei die Spitze des die Konusfläche bildenden Kegels dem Brennraum zugerichtet ist. Die Ventildichtfläche des Ventilgliedes ist entsprechend ebenfalls konisch ausgebildet, wobei die Ventildichtfläche zwei Konusflächen mit unterschiedlichem Neigungswinkel aufweist, so daß am Übergang dieser beiden Konusflächen eine Dichtkante gebildet wird. In Schließstellung des Ventilgliedes, also wenn die Ventildichtfläche am Ventilsitz anliegt, wird diese Dichtkante in den Ventilsitz eingedrückt, so daß eine sichere Abdichtung des Druckraums gegenüber den Einspritzöffnungen möglich ist.

Das Ventilglied wird durch eine Einrichtung mit einer Schließkraft beaufschlagt, die das Ventilglied auf den Ventilsitz preßt. Durch den hydraulischen Druck im Druckraum erfährt das Ventilglied eine in axialer Richtung wirkende Kraft, die dieser Schließkraft entgegen gerichtet ist. Übersteigt der Druck im Druckraum einen Öffnungsdruck, so wird die hydraulische Kraft auf das Ventilglied größer als die Schließkraft und das Ventilglied bewegt sich aus der Schließstellung vom Ventilsitz weg. Die Größe dieses Öffnungsdrucks hängt unter anderem davon ab, welchen Durchmesser die Dichtkante am Ventilsitz aufweist. Eine Änderung des Öffnungsdrucks geht mit einer Veränderung der Einspritzcharakteristik des Einspritzventils einher, so daß ein zumindest näherungsweise konstanter Öffnungsdruck unerläßlich für eine optimale Einspritzung ist. Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist hierbei jedoch den Nachteil auf, daß die durch den Übergang der beiden Konusflächen gebildete Dichtkante mit dem Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils in den Ventilsitz eingeschlagen wird, wodurch sich der hydraulisch wirksame Dichtliniendurchmesser mit der Zeit verändert und so der Öffnungsdruck nicht konstant bleibt. Dies stellt insbesondere bei modernen Kraftstoffeinspritzsystemen, die auf niedrigen Schadstoffausstoß optimiert sind, einen großen Nachteil dar.

Aus der Schrift DE 199 31 891 A1 ist ein Einspritzventil bekannt, das ein Ventilglied mit einer im wesentlichen konischen Ventildichtfläche aufweist, mit der es mit einem entsprechend geformten Ventilsitz zusammenwirkt. In der Ventildichtfläche sind zwei Ringnuten ausgebildet, und auf dem zwischen den Ringnuten verbleibenden Abschnitt der Ventildichtfläche befindet sich die Dichtkante, mit der das Ventilglied auf dem Ventilsitz in Schließstellung aufliegt. Auch bei diesem Ventilglied ergibt sich der Nachteil, daß sich die Dichtkante mit der Zeit in den Ventilsitz einhämmert und sich der hydraulisch wirksame Dichtliniendurchmesser ändert.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß sich der Öffnungsdruck des Kraftstoffeinspritzventils im Betrieb nicht ändert. Hierzu weist das Ventilglied einen Endbereich auf, in dem zwei Ringnuten ausgebildet sind. Hierbei ist die erste Ringnut in einer Radialebene der Längsachse des Ventilgliedes angeordnet und die zweite Ringnut axial dem Ventilsitz zu verschoben angeordnet und zur ersten Ringnut parallel. Hierdurch wird der Endbereich des Ventilgliedes in drei Abschnitte unterteilt, wobei die Ventildichtfläche an einem zwischen den beiden Ringnuten verbleibenden Ringsteg ausgebildet ist, der am äußeren Rand in Längsrichtung des Ventilgliedes federnd ausgebildet ist. Dies hat zum einen den Vorteil, daß sich die hydraulisch wirksame Dichtkante im Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils nicht ändert. Zum anderen kann sich die Ventildichtfläche optimal an den Ventilsitz anpassen, so daß auch in der Zeit unmittelbar vor der Einspritzung, wo durch den ansteigenden Druck im Druckraum der Ventilkörper etwas elastisch aufgeweitet wird, eine optimale Anlage der Ventildichtfläche am Ventilsitz erfolgt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist die erste Ringnut stets mit dem Druckraum hydraulisch verbunden. Durch den hydraulischen Druck in der ersten Ringnut wird diese etwas elastische aufgeweitet, so daß der zwischen den beiden Ringnuten verbleibende Ringsteg des Ventilgliedes zu Beginn der Öffnungshubbewegung gegen den Ventilsitz gepreßt wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß der hydraulisch wirksame Dichtliniendurchmesser stets der Kante entspricht, die am Übergang der ersten Ringnut zur Ventildichtfläche ausgebildet ist. Dies gilt unabhängig von Winkeltoleranzen im Neuzustand oder vom Verschleiß über der Lebenszeit.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kanten, die am Übergang der Ringnuten zur Ventildichtfläche ausgebildet sind, abgerundet oder abgeschrägt gefertigt. Hierdurch ergibt sich eine Verringerung der Kerbwirkung durch das Eindrücken dieser Kanten in den Ventilsitz. Als Folge davon ergibt sich eine bessere Hochdruckstabilität und ermöglicht dem federnd ausgebildeten Ringsteg der Ventildichtfläche bei der Öffnungs- oder Schließbewegung eine abrollende Bewegung auf dem Ventilsitz.

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. Es zeigt

• Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritzventil,
• Figur 2 eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts von Figur 1 und
• Figur 3 eine Vergrößerung von Figur 2 des mit III bezeichneten Ausschnitts.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Ein Ventilkörper 1, der einen Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems für Brennkraftmaschinen bildet, weist eine Bohrung 3 auf, in der ein kolbenförmiges Ventilglied 5 längsverschiebbar angeordnet ist, das eine Längsachse 6 aufweist. In Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in der Brennkraftmaschine ist das geschlossene Ende der Bohrung 3 dem Brennraum zugewandt. Das Ventilglied 5 ist in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung 3 dichtend geführt und verjüngt sich dem Brennraum zu unter Bildung einer Druckschulter 9. An seinem brennraumseitigen Ende geht das Ventilglied 5 in einen im wesentlichen konischen Endbereich 22 über, der mit einem ebenfalls konischen am brennraumseitigen Ende der Bohrung 3 ausgebildeten Ventilsitz 18 zusammenwirkt. Durch eine radiale Erweiterung der Bohrung 3 ist auf Höhe der Druckschulter 9 ein Druckraum 7 ausgebildet, der sich als ein das Ventilglied 5 umgebender Ringkanal bis zum Ventilsitz 18 fortsetzt. Über einen im Ventilkörper 1 ausgebildeten Zulaufkanal 4 ist der Druckraum 7 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckquelle verbunden, so daß er mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Zwischen der Druckschulter 9 und dem Endbereich 22 ist am Ventilglied 5 ein Führungsabschnitt 10 ausgebildet, durch den das Ventilglied 5 in einem Führungsbereich 14 der Bohrung 3 geführt wird. Um den Kraftstofffluß vom Druckraum 7 zum Ventilsitz 18 sicherzustellen, sind am Führungsabschnitt 10 mehrere, beispielsweise vier Ausnehmungen 12 angeordnet, die gleichmäßig über den Umfang des Ventilgliedes 5 verteilt angeordnet sind und die den Kraftstofffluß ermöglichen. Im Ventilsitz 18 ist wenigstens eine Einspritzöffnung 20 ausgebildet, die die Bohrung 3 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. Durch die Längsbewegung des Ventilgliedes 5 wird die wenigstens eine Einspritzöffnung 20 freigegeben oder verschlossen, so daß Kraftstoff aus dem Druckraum 7 durch die Einspritzöffnung 20 gesteuert durch das Ventilglied 5 in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangen kann.

Die Steuerung der Einspritztätigkeit des Kraftstoffeinspritzventils erfolgt durch hydraulische Kräfte. Ein Einspritzzyklus sieht wie folgt aus: Das Ventilglied 5 wird durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung mit einer Schließkraft beaufschlagt, die das Ventilglied 5 mit dem Endbereich 22 auf den Ventilsitz 18 preßt. Hierdurch wird der Druckraum 7 gegenüber den Einspritzöffnungen verschlossen, und es gelangt kein Kraftstoff durch die Einspritzöffnungen 20 in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Durch Einbringen von Kraftstoff unter hohem Druck durch den Zulaufkanal 4 in den Druckraum 7 ergibt sich eine hydraulische Kraft in Längsrichtung des Ventilgliedes 5 durch Beaufschlagung der Druckschulter 9 und zumindest Teilbereichen des Endbereichs 22. Übersteigen diese hydraulischen Kräfte die Schließkraft auf das Ventilglied, bewegt sich das Ventilglied 5 vom Ventilsitz 18 weg und der Endbereich 22 hebt vom Ventilsitz 18 ab. Hierdurch wird der Druckraum 7 mit den Einspritzöffnungen 20 verbunden, und Kraftstoff fließt am Ventilglied 5 vorbei zu den Einspritzöffnungen 20 und von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Durch eine Reduzierung des Kraftstoffzuflusses in den Druckraum 7 sinkt der Druck wieder, so daß, sobald die Schließkraft auf das Ventilglied 5 überwiegt, das Ventilglied 5 zurück in seine Schließstellung fährt, d.h. mit dem Endbereich 22 am Ventilsitz 18 aufsetzt. Da das Ventilglied 5 sowohl im brennraumabgewandten Abschnitt als auch im Führungsabschnitt 10 in der Bohrung 3 geführt ist, ergibt sich auch am Ventilsitz 18 eine genau zentrische Lage des Ventilgliedes 5 in der Bohrung 3, so daß ein symmetrischer Kraftstofffluß zum Ventilsitz 18 sichergestellt ist.

In Figur 2 ist eine Vergrößerung von Figur 1 in einem mit II bezeichneten Ausschnitt dargestellt. Die im wesentlichen konische Endfläche 22 des Ventilgliedes 5 weist eine erste Ringnut 30 und eine zweite Ringnut 32 auf, wobei die zweite Ringnut axial verschoben zur ersten Ringnut 30 angeordnet ist, wobei jedoch beide Ringnuten 30,32 zueinander parallel sind. Die Ringnuten 30,32 sind jeweils zumindest annähernd in einer Radialebene bezüglich der Längsachse 6 des Ventilglieds 5 angeordnet. Hierdurch wird der Endbereich 22 des Ventilgliedes 5 in drei Abschnitte aufgeteilt, wobei eine erste Konusfläche 24, die sich direkt an das Ventilglied 5 anschließt, gebildet wird, eine zwischen den beiden Ringnuten 30,32 ausgebildete Ventildichtfläche 26 und eine zweite Konusfläche 28, die das brennraumzugewandte Ende des Ventilgliedes 5 bildet. Die Ventildichtfläche 26 ist an einem zwischen den Ringnuten 30,32 verbleibenden Ringsteg 27 ausgebildet. Die erste Konusfläche 24, die Ventildichtfläche 26 und die zweite Konusfläche 28 weisen alle zumindest näherungsweise denselben Konuswinkel auf, jedoch ist die erste Konusfläche 24 und die zweite Konusfläche 28 etwas zurückgesetzt, so daß in Schließstellung des Ventilgliedes 5, das ist, wenn der Druckraum 7 gegen die Einspritzöffnungen 20 verschlossen ist, nur die Ventildichtfläche 26 am Ventilsitz 18 zur Anlage kommt. Diese Stellung ist in Figur 2 dargestellt. Durch die zurückgesetzte erste Konusfläche 24 bleibt die erste Ringnut 30 stets mit dem Druckraum 7 hydraulisch verbunden, da zwischen der ersten Konusfläche 24 und dem Ventilsitz 18 immer ein Spalt verbleibt.

In Figur 3 ist eine Vergrößerung von Figur 2 im durch III bezeichneten Bereich dargestellt. Das Ventilglied 5 befindet sich hier in einem leicht geöffneten Zustand, so daß die Ventildichtfläche 26 nicht am Ventilsitz 18 anliegt. Der durch den Druck im Druckraum 7 hydraulisch beaufschlagte Teil des Endbereichs 22 des Ventilgliedes 5 entspricht der ersten Konusfläche 24 bis zur ersten Kante 35, die am Übergang der ersten Ringnut 30 zur Ventildichtfläche 26 gebildet ist und die die Dichtlinie bildet. Die hydraulischen, in axialer Richtung wirkenden Kräfte auf die Wände der ersten Ringnut 30 heben sich gegenseitig auf. Da die Ringnuten 30;32 in den Endbereich 22 des Ventilgliedes 5 eingeschnitten sind, ist der Ringsteg 27 zwischen den beiden Ringnuten 30;32 an seinem äußeren Rand federnd ausgebildet, so daß bei Anlage des Ventilgliedes 5 am Ventilsitz 18 die Ventildichtfläche 26 etwas vom Brennraum weg verformt wird, wodurch die Dichtfläche 26 stets optimal am Ventilsitz 18 anliegt. Die Verformung der Ventildichtfläche 26 kann soweit gehen, daß die zweite Konusfläche 28 im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils am Ventilsitz 18 zur Anlage kommt und hierdurch die Verformung der Ventildichtfläche 26 begrenzt. Überdeckt die zweite Konusfläche 28 die Einspritzöffnung 20, so wird zwischen den einzelnen Einspritzungen der mit dem Brennraum verbundene und mit Kraftstoff gefüllte Raum des Einspritzventils minimiert, was sich günstig auf die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine auswirkt.

Der Ringsteg 27 mit der daran ausgebildeten Ventildichtfläche 26 weist in Richtung der Längsachse 6 eine Höhe D auf, die so beschaffen sein muß, daß elastische Verformungen ermöglicht werden, ohne daß die Ventildichtfläche 26 ihre Stabilität einbüßt. Die Höhe D ist deshalb vorzugsweise 0,3 mm bis 0,5 mm, die axiale Höhe der Ringnuten 30;32 etwa 0,2 mm bis 0,4 mm.

Neben dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel kann es auch vorgesehen sein, daß die die Ventildichtfläche 26 begrenzenden Kanten, also die dem brennraumabgewandte erste Kante 35 und die dem brennraumzugewandte zweite Kante 37, abgerundet oder abgeschrägt ausgebildet werden. Hierdurch kann sich die Ventildichtfläche 26 bei der Öffnungsbewegung des Ventilgliedes 5 am Ventilsitz 18 abrollen und die Kerbspannungen, die beim Eindrücken der Kanten 35,37 in den Ventilsitz 18 entstehen, werden hierdurch minimiert.

Claims (4)

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem in einer Bohrung (3) ein kolbenförmiges Ventilglied (5) längsverschiebbar angeordnet ist, wobei das Ventilglied (5) zumindest auf einem Teil seiner Länge von einem mit Kraftstoff befüllbaren Druckraum (7) umgeben ist, und mit einem am brennraumseitigen Ende der Bohrung (3) ausgebildeten Ventilsitz (18), an dem das Ventilglied (5) mit einer Ventildichtfläche (26) in einer Schließstellung zur Anlage kommt, so daß der Druckraum (7) von wenigstens einer stromabwärts der Ventildichtfläche (18) gelegenen Einspritzöffnung (20) getrennt wird, wobei im brennraumseitigen Endbereich des Ventilglieds (5) eine erste Ringnut (30) und eine dazu parallele, axial dem Ventilsitz (18) zugewandt angeordnete zweite Ringnut (32) ausgebildet ist und die Ventildichtfläche (26) an einem zwischen diesen beiden Ringnuten (30; 32) verbleibenden Ringsteg (27) angeordnet ist,
   dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Ringnuten (30; 32) verbleibende Ringsteg (27) des Ventilglieds (5) an seinem äußeren Rand in Bewegungsrichtung des Ventilglieds (5) federnd ausgebildet ist.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventildichtfläche (26) zumindest näherungsweise konisch geformt ist.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ringnut (30) ständig mit dem Druckraum (7) hydraulisch verbunden ist.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Übergang der Ringnuten (30; 32) zur Ventildichtfläche (32) ausgebildeten Kanten (35; 37) abgerundet oder abgeschrägt sind.

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