EP1387950B1

EP1387950B1 - Ventil mit radialen ausnehmungen

Info

Publication number: EP1387950B1
Application number: EP02732350A
Authority: EP
Inventors: Patrick Mattes; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2002-03-23
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2022-03-23
Also published as: US7000856B2; JP2004519604A; PL358462A1; CN1462342A; DE50214168D1; JP4157384B2; EP1387950A1; DE10122503A1; US20040056118A1; WO2002090761A1

Description

Technisches Gebiet

Einspritzdüsen sind wesentliche Bauteile von selbstzündenden Brennkraftmaschinen. Zu ihren Aufgaben zählen das dosierte Einspritzen, das Aufbereiten des Kraftstoffs, das Formen des Einspritzverlaufs und das Abdichten gegen den Brennraum. Neben der Haupteinspritzung erfolgt u.a. bei Common Rail-Dieseleinspritzsystemen eine Voreinspritzung, die eine Absenkung von Abgasemissionen und von Geräuschabstrahlungen ermöglicht. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch nicht nur Kraftstoffeinspritzdüsen, sondern alle Arten von Düsen bzw. Zumeßventilen.

Stand der Technik

DE 196 34 933 bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Bohrung eines Ventilkörpers axial verschiebbaren Ventilglied. Das Ventilglied weist an seinem dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Ende eine konische Ventildichtfläche auf, mit der es mit einer konischen Ventilsitzfläche am brennraumseitigen geschlossenen Ende der Bohrung des Ventilkörpers zusammenwirkt. Die konische Ventildichtfläche am Ventilglied ist in zwei unterschiedliche Kegelwinkel aufweisende Bereiche geteilt. An dem Übergang der zwei Bereiche ist eine Ventildichtkante gebildet. Ferner weist das Kraftstoffeinspritzventil wenigstens eine Einspritzöffnung auf, die sich in dem sich stromabwärts an die Dichtkante anschließenden Bereich befindet. Schließlich ist zwischen den jeweils einen unterschiedlichen Kegelwinkel aufweisenden Ventildichtflächenbereichen ein Absatz vorgesehen, woraus sich Vorteile für die Zumeßgenauigkeit der Einspritzmenge ergeben.
DE 198 44 638 A1 bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer Düsennadel, die in einer zentralen Führungsbohrung eines Düsenkörpers geführt ist und einen umlaufenden Dichtbereich aufweist, der zusammen mit dem Ventilsitz des Düsenkörpers ein Ventil bildet. Das Ventil ist abhängig von der Position der Düsennadel geöffnet und geschlossen. Der Dichtbereich steuert den Kraftstoffzulauf zu mindestens einem Einspritzloch in der Düse. Die Düsennadel weist zwischen dem Dichtbereich und der Nadelspitze der Düsennadel eine umlaufende Nut auf. Die Lochachse des Einspritzlochs mündet in die Nut, wenn der Dichtbereich der Düsennadel auf dem Ventilsitz aufliegt.
DE 198 20 513 A1 betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse für eine Brennkraftmaschine enthaltend eine Düsennadel mit einer Nadelspitze und einen mit der Nadelspitze der Düsennadel zusammenwirkenden Ventilsitz, wobei der Ventilsitz eine konische Dichtfläche mit einem Öffnungswinkel α₁ und die Nadelspitze eine im geschlossenen Zustand des Einspritzventils an diese anliegende konische Dichtfläche mit einem Öffnungswinkel α₂ aufweisen. Die Nadelspitze und das Nadelgehäuse begrenzen einen ringförmigen Strömungskanal. In Strömungsrichtung des Kraftstoffs auf die Dichtflächen ist von Nadelspitze und Ventilsitz folgend eine Erweiterung des ringförmigen Strömungskanals zwischen Nadelspitze und Nadelgehäuse ausgebildet.
DE 199 31 891 hat ein Kraftstoffeinspritzventil zum Gegenstand. Das Kraftstoffeinspritzventil weist eine Düsennadel auf, die in einer zentralen. Führungsbohrung eines Düsenkörpers geführt ist und einen umlaufenden Dichtbereich aufweist. Der Dichtbereich weist eine Dichtkante auf, die zusammen mit dem Ventilsitz des Düsenkörpers ein Ventil bildet, das abhängig von der Position der Düsennadel geöffnet oder geschlossen ist, wobei die Dichtkante den Kraftstoffzulauf zu mindestens einem Einspritzloch in der Düsenspitze des Düsenkörpers steuert. Die Nadelspitze kann eine weitere umlaufende Nut enthalten, wobei die Achsen der Einspritzlöcher bei geschlossenem Ventil und auch bei vollständig geöffnetem Ventil mit maximaler Auslenkung der Düsennadel in die weitere Nut münden.
GB 562 033 A beschreibt ein Kraftstoff-Einspritzventil vom Differential-Nadeltyp, bei welchem die Oberfläche der Nadel, welche mit der Oberfläche des Nadelsitzes im Düsenkörper zusammenwirkt, eine ringförmige Vertiefung aufweist. Die ringförmige Vertiefung stellt einen wesentlichen Zwischenraum zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen her und unterteilt die Oberfläche in zwei Teilflächen von erheblich unterschiedlichen Durchmessern. Dabei wird eine durch Verschleiß verursachte Verbreiterung des Kontaktbereichs zwischen der Ventilnadel und dem Ventilsitz bei geschlossenem Kraftstoff Einspritzventil auf die Breite eines Ventilnadel-Oberflächenbereichs oberhalb der ringförmigen Vertiefung begrenzt.
In WO 02/01066 A1 wird ein Kraftstoff-Einspritzventil für Brennkraftmaschinen gezeigt, welches einen Ventilkörper und eine als Sackbohrung ausgeführte Bohrung aufweist, deren Bodenfläche dem Brennraum zugewandt ist. An der Bodenfläche ist ein konischer Ventilsitz ausgebildet, in dem wenigstens eine Einspritzöffnung angeordnet ist. In der Bohrung ist ein kolbenförmiges entgegen einer Schließkraft längs verschiebbares Ventilglied angeordnet, das eine Ventilgliedspitze aufweist, die in Schließstellung des Ventilgliedes am Ventilsitz zur Anlage kommt. An der Ventilgliedspitze ist eine erste Konusfläche und eine zweite, brennraumseitig zur ersten Konusfläche angeordnete Konusfläche ausgebildet, wobei der Konuswinkel (α) der ersten Konusfläche kleiner als der Konuswinkel (γ) des Ventilsitzes ist, welcher wiederum als der Konuswinkel (β) der zweiten Konusfläche ist. Zwischen der ersten und zweiten Konusfläche ist eine Ringnut ausgebildet, und an der zweiten Konusfläche ist eine zusätzliche umlaufende Ringnut angeordnet, die sich in Schließstellung des Ventilgliedes zumindest teilweise mit den Einspritzöffnungen überdeckt, um auch bei desachsiertem Ventilglied alle Einspritzöffnungen gleichmäßig mit Kraftstoff zu versorgen.
Die Zumessung der Einspritzmenge durch eine Kraftstoffeinspritzdüse ändert sich über ihre Lebensdauer aufgrund von Verschleiß. Insbesondere bei Common Rail Injektoren verändert sich die Position der Ventildichtfläche, also derjenigen Fläche, mit der die Ventilnadelspitze in Schließstellung des Ventils an der konischen Ventilkörperinnenwand zur Anlage kommt. Die Ventildichifläche kann, verursacht durch Verschleiß, sowohl zum größeren als auch zum kleineren Durchmesser der konischen Ventilnadelspitze "wandern". Die Ventilnadel kommt folglich in Schließposition des Ventils an einem höheren Punkt relativ zum Ventilkörper an der Ventilkörperinnenwand zur Anlage. Dadurch ergibt sich ein veränderter Einspritzverlauf. Dies führt insbesondere bei Common Rail Einspritzdüsen dazu, daß mit fortschreitender Lastspielzahl (Zahl der Lastwechsel) die Voreinspritzmenge kleiner wird und schließlich ganz wegfällt.

Darstellung der Erfindung

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das "Wandern" der Ventildichtfläche begrenzt und der Verschleiß des Ventils reduziert wird. Dies wird erreicht durch ein Ventil mit einer in einer Bohrung eines Ventilkörpers axial verschiebbaren Ventilnadel, die an ihrem einen Ende eine konische Ventilnadelspitze aufweist. Die Ventilnadelspitze umfaßt dabei eine radiale Ventildichtfläche, die in Schließstellung des Ventils an einer konischen Ventilkörperinnenwand am geschlossenen Ende der Bohrung zur Anlage kommt. In der konischen Ventilkörperinnenwand ist mindestens eine Öffnung angeordnet, die die Bohrung mit der Außenseite des Ventilkörpers verbindet. Das Ventil enthält zwei radiale Ausnehmungen, die in der Ventilnadelspitze oder der Ventilkörperinnenwand angeordnet sind, wobei sich eine der radialen Ausnehmungen stromaufwärts und die andere radiale Ausnehmung stromabwärts von der Position der Ventildichtfläche in Schließstellung des Ventils befindet.
Zwischen den radialen Ausnehmungen befindet sich ein Sitzbereich, auf den das "Wandern" der Ventildichtfläche begrenzt ist. In Schließstellung des Ventils kommt die Ventilnadelspitze mit der Ventildichtfläche in diesem Sitzbereich an der konischen Ventilkörperinnenwand zur Anlage und dichtet somit die Bohrung stromaufwärts von der Ventildichtfläche gegen die Bohrung stromabwärts von der Ventildichtfläche und somit auch gegen die Außenseite des Ventilkörpers ab. Unter der Außenseite des Ventilkörpers ist in diesem Zusammenhang dasjenige Volumen zu verstehen, in das ein strömendes flüssiges oder gasförmiges Medium eintritt, wenn es bei geöffnetem Ventil aus dem Ventil über seine Öffnungen austritt. Mit zunehmendem Verschleiß kann die Ventildichtfläche (bezogen auf die Schließstellung des Ventils) entweder bis zur Oberkante der ersten Ausnehmung stromabwärts oder bis zur Unterkante der zweiten Ausnehmung stromaufwärts "wandern", aber nicht weiter. Die Ausnehmungen verhindern, dort wo sie radial in der Ventilnadelspitze oder der Ventilkörperinnenwand angeordnet sind, ein Anliegen der Ventilnadelspitze an der Ventilkörperinnenwand, da sie einen Abstand zwischen diesen beiden Bestandteilen des Ventils erzeugen.
Die konische Ventilnadelspitze besitzt eine Mantelfläche, die mindestens drei Bereiche mit verschiedenen Kegelwinkeln umfasst.
Die Anordnung dieser mindestens drei Bereiche der Ventilnadelspitze mit den verschiedenen Kegelwinkeln in Kombination mit den Positionen der erfindungsgemäßen zwei radialen Ausnehmungen und dem Kegelwinkel der konischen Ventilkörperinnenwand definieren, auf welcher Position der Ventilnadelspitze sich die Ventildichtfläche befindet.
Dabei sind drei Bereiche mit verschiedenen Kegelwinkeln δ₁, δ₂, δ₃ umfasst, welche in Schließstellung des Ventils jeweils durch eine der zwei radialen Ausnehmungen voneinander getrennt sind. Die Kegelwinkel δ₁, δ₂, δ₃ der drei Bereiche werden stromabwärts größer.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Ventils, wobei die Ausnehmungen durch Bearbeitung eines Standardventils gefertigt werden, beispielsweise durch spanende Bearbeitung. Durch Verwendung von Standardventilen, die serienmäßig eingesetzt werden, können die erfindungsgemäßen Ventile kostengünstig und mit geringem Aufwand hergestellt werden.

Zeichnung

Anhand der Figur wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:

Figur 1: zwei mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils.

Ausführungsvarianten

Figur 1 zeigt zwei Varianten des erfindungsgemäßen Ventils kombiniert in einer schematischen Zeichnung. Eine Variante ist links von der Symmetrieachse 1, die andere rechts davon dargestellt. Hauptbestandteile des gezeigten Ventils sind die Ventilnadel 2 und der Ventilkörper 3, wobei die Ventilnadel 2 axial in dem Ventilkörper 3 verschiebbar ist. Die Ventilnadel 2 weist an ihrem Ende eine konische Ventilnadelspitze 4 auf. Der Ventilkörper 3 enthält eine Bohrung 5, die am Ende konisch zuläuft. In der konischen Ventilkörperinnenwand 6 sind Öffnungen 7 angeordnet, die die Bohrung 5 bei geöffnetem Ventil mit der Außenseite 8 des Ventilkörpers 3 verbinden.
In der Schließstellung des Ventils kommt die Ventilnadelspitze 4 mit einer radialen Ventildichtfläche 9 an der konischen Ventilkörperinnenwand 6 zur Anlage. Die Ventildichtfläche 9 hat die Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfs. Sie liegt bei geschlossenem Ventil an der konischen Ventilkörperinnenwand 6 an und dichtet somit die Bohrung 5 stromaufwärts 10 von der Ventildichtfläche 9 gegen die Bohrung 5 stromabwärts 11 von der Ventildichtfläche 9 ab. Das Ventil ist dann dicht geschlossen und ein flüssiges oder gasförmiges Medium kann nicht aus den Öffnungen 7 zur Außenseite 8 austreten.
Bei der links von der Symmetrieachse 12 dargestellten ersten Variante des erfindungsgemäßen Ventils enthält das Ventil zwei radiale Ausnehmungen 12 und 13. Beide sind in der Ventilnadelspitze 4 angeordnet.
In dem erfindungsgemäßen Ventil umfaßt die Mantelfläche der Ventilnadelspitze 4 drei Bereiche mit verschiedenen Kegelwinkeln δ₁, δ₂ und δ₃. Die drei Bereiche werden jeweils durch eine der zwei Ausnehmungen 12, 13 voneinander getrennt. Die Grenzen der Bereiche liegen zwischen der oberen 18 und der unteren Kante 19 oder auf einer der beiden Kanten der jeweiligen Ausnehmung 12, 13. Die Kegelwinkel δ₁, δ₂, δ₃ der drei Bereiche werden stromabwärts 11 größer (δ₁ < δ₂ < δ₃). Der Kegelwinkel β der konischen Ventilkörperinnenwand 6 ist kleiner als der Kegelwinkel δ₃ und größer als der Kegelwinkel δ₂. Dadurch ist die Position der Ventildichtfläche 9 des Ventils, bevor es verschleißt, genau definiert. Sie liegt an dem Übergang zwischen den beiden Bereichen mit den Kegelwinkeln δ₂ und δ₃ oder, falls dort wie in Figur 1 eine Ausnehmung 12 angeordnet ist, an der oberen Kante dieser Ausnehmung 12. Durch Verschleiß kann sich die Anlage-Position der Ventildichtfläche 9 an der Ventilkörperinnenwand 6 in Schließposition des Ventils lediglich in dem Sitzbereich 14 zwischen den Ausnehmungen 12 und 13 verschieben. Der Abstand zwischen den beiden Ausnehmungen 12 und 13 gibt vor, wie weit die Ventildichtfläche maximal "wandern" kann, wie groß demnach der mögliche Sitzbereich 14 ist.
Durch die Vorgabe δ₁ < δ₂ für die Kegelwinkel der zwei Ventilnadelspitzen-Bereiche ergeben sich zwei Differenzwinkel α₁, α₂ von der Ventilnadelspitze 4 zu der konischen Ventilkörperinnenwand 6, für die gilt: α₂ > α₁. Dies ist eine weitere Maßnahme, um ein Wandern der Ventildichtfläche 9 zu einem größeren Ventilnadeldurchmesser hin, oberhalb der zweiten Ausnehmung 13, zu verhindern. Als Ergebnis liegt die Ventildichtfläche 9 bei geschlossenem Ventil ausschließlich in dem Sitzbereich 14 an der Ventilkörperinnenwand 6 an.
Zur Gewährleistung, daß der Differenzwinkel α₂ größer als der Differenzwinkel α₁ ist, wäre auch denkbar, daß die Ventilnadelspitze nur zwei Bereiche mit unterschiedlichen Kegelwinkeln δ₂ und δ₃ aufweist, die Ventilkörperinnenwand 6 jedoch in Schließposition des Ventils stromaufwärts 10 von der unteren Kante der zweiten Ausnehmung 13 einen Kegelwinkel aufweist, der größer als der Kegelwinkel β der Ventilkörperinnenwand 6 stromabwärts 11 davon ist. Folglich würde das konische Ende des Ventilkörpers 3 stromaufwärts 10 einen "Knick nach außen" aufweisen.
Für die zweite, rechts von der Symmetrieachse 1 dargestellte Variante des erfindungsgemäßen Ventils gilt dasselbe wie für die erste Variante. Der einzige Unterschied zur ersten Variante besteht darin, daß nur die erste radiale Ausnehmung 16 in der Ventilnadelspitze 4 angeordnet ist, wohingegen sich die zweite radiale Ausnehmung 17 in der konischen Ventilkörperinnenwand 6 befindet. Dadurch wird derselbe Effekt wie in der ersten Variante erzielt: Die Ventildichtfläche 9 kann infolge von Verschleiß des Ventils lediglich entlang des Sitzbereiches 15 "wandern", der in Schließposition des Ventils durch die beiden Ausnehmungen 16 und 17 begrenzt wird.
Denkbar sind weitere Varianten des erfindungsgemäßen Ventils (nicht in der Figur dargestellt), bei denen zum Beispiel beide Ausnehmungen in der konischen Ventilkörperinnenwand 6 oder die erste Ausnehmung in der Ventilkörperinnenwand 6 und die zweite Ausnehmung in der Ventilnadelspitze 4 angeordnet sind.
Bei den in Figur 1 dargestellten Varianten der vorliegenden Erfindung haben die Ausnehmungen einen Querschnitt mit der Form eines Kreissegments (Nut). Weitere mögliche Formen, die der Querschnitt der jeweiligen Ausnehmung haben kann, sind die eines Kreissektors, eines Drei-, Vier- oder sonstigen Vielecks oder Kombinationen aus verschiedenen der genannten Formen. Unter eine Kombination ist beispielsweise ein Querschnitt mit der Form eines Kreissektors, der in ein Viereck übergeht, zu verstehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Ventil eine Kraftstoffeinspritzdüse, vorzugsweise in selbstzündenden Brennkraftmaschinen. Bei Kraftstoffeinspritzsystemen ergibt sich über die Lebensdauer der Kraftstoffeinspritzdüse eine Einspritzmengendrift durch ein verschleißbedingtes "Wandern" der Ventildichtfläche 9. Ein veränderter Einspritzverlauf kann zu unerwünschten Abgasemissionen, lauteren Laufgeräuschen oder einem größeren Verschleiß der selbstzündenden Brennkraftmaschine führen. Bei einem erfindungsgemäßen Ventil wird diese Einspritzmengendrift in vorteilhafter Weise begrenzt und stark verringert, da die Ventildichtfläche 9 lediglich innerhalb des Sitzbereichs 14, 15 "wandern" kann. In Abhängigkeit von dem axialen Abstand der beiden Ausnehmungen kann die maximale Mengendrift während der Lebensdauer der Kraftstoffeinspritzdüse eingestellt werden.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Ventil als Kraftstoffeinspritzdüse in selbstzündenden Brennkraftmaschinen mit Common Rail-Dieseleinspritzung eingesetzt. Insbesondere bei Common Rail-Düsen verringert sich die Voreinspritzmenge durch ein verschleißbedingtes Wandern der Ventildichtfläche 9 zu größeren Ventilnadeldurchmessern hin, im Extremfall bleibt die Voreinspritzung ganz aus. Dies wird in vorteilhafter Weise durch den Einsatz erfindungsgemäßer Ventile verhindert.
Das erfindungsgemäße Ventil kann als Sitz- oder Sacklochdüse aufgebaut sein. Die Öffnungen 7 einer Sacklochdüse sind in einem Sackloch angeordnet, das sich in Schließstellung des Ventils unterhalb der Ventilnadelspitze 4 in dem Ventilkörper 3 befindet. Bei Sitzlochdüsen liegt der Anfang der Öffnungen 7 so in der Ventilkörperinnenwand 6, daß sie bei geschlossener Düse durch die Ventilnadelspitze 4 weitgehend abgedeckt sind. In Figur 1 ist eine Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils als Sitzlochdüse dargestellt.

Claims

Ventil mit einer in einer Bohrung (5) eines Ventilkörpers (3) axial verschiebbaren Ventilnadel (2), die an ihrem einen Ende eine konische Ventilnadelspitze (4) aufweist, wobei die Ventilnadelspitze (4) eine radiale Ventildichtfläche (9) umfasst, die in Schließstellung des Ventils an einer konischen Ventilkörperinnenwand (6) am geschlossenen Ende der Bohrung (5) zur Anlage kommt, wobei in der konischen Ventilkörperinnenwand (6) mindestens eine Öffnung (7) angeordnet ist, die die Bohrung (5) mit der Außenseite (8) des Ventilkörpers (3) verbindet, wobei das Ventil zwei radiale Ausnehmungen (12, 13, 16, 17) enthält, die in der Ventilnadelspitze (4) oder der Ventilkörperinnenwand (6) angeordnet sind, wobei sich eine der radialen Ausnehmungen (13, 17) stromaufwärts (10) von der Position der Ventildichtfläche (9) und die andere radiale Ausnehmung (12, 16) stromabwärts (11) von der Position der Ventildichtfläche (9) und stromaufwärts (10) von der mindestens einen Öffnung (7) in Schließstellung des Ventils befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die konische Ventilnadelspitze (4) eine Mantelfläche mit mindestens drei Bereichen mit verschiedenen Kegelwinkeln (δ₁, δ₂, δ₃) umfasst, welche in Schließstellung des Ventils jeweils durch eine der zwei radialen Ausnehmungen (12, 13, 16, 17) voneinander getrennt sind, wobei die Kegelwinkel (δ₁, δ₂, δ₃) der drei Bereiche stromabwärts (11) größer werden.
Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konische Ventilkörperinnenwand (6) mindestens zwei Bereiche mit verschiedenen Kegelwinkeln umfasst, wobei die Kegelwinkel stromaufwärts (10) größer werden.
Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide radialen Ausnehmungen in der Ventilnadelspitze (4) oder in der Ventilkörperinnenwand (6) angeordnet sind oder dass eine radiale Ausnehmung (16, 17) in der Ventilnadelspitze (4) und eine in der Ventilkörperinnenwand (6) angeordnet ist.
Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12, 13, 16, 17) einen Querschnitt haben, der die Form eines Kreissegments (Nut), eines Kreissektors, eines Drei-, Vier-, oder sonstigen Vielecks oder Kombinationen daraus, besitzt.
Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil eine Kraftstoffeinspritzdüse ist, vorzugsweise in selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
Ventil gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstzündenden Brennkraftmaschinen eine Common Rail-Dieseleinspritzung umfassen.
Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als Sitz- oder Sacklochdüse aufgebaut ist.