EP1395747A1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen - Google Patents

Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen

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EP1395747A1
EP1395747A1 EP02727264A EP02727264A EP1395747A1 EP 1395747 A1 EP1395747 A1 EP 1395747A1 EP 02727264 A EP02727264 A EP 02727264A EP 02727264 A EP02727264 A EP 02727264A EP 1395747 A1 EP1395747 A1 EP 1395747A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel injection
valve
valve body
injection valve
bore
Prior art date
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Granted
Application number
EP02727264A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1395747B1 (de
Inventor
Joachim Winter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1395747A1 publication Critical patent/EP1395747A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1395747B1 publication Critical patent/EP1395747B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/10—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/166—Selection of particular materials

Definitions

  • the invention is based on a fuel injection valve for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • a fuel injection valve for example from the document DE 196 18 650 AI.
  • Such a fuel injection valve has a valve body, in which a bore is formed with a longitudinal axis, a valve seat being formed at the end of the bore on the combustion chamber side. In the area of the valve seat, at least one injection opening is formed in the valve body, which connects the bore to the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a valve member is arranged in the bore in a longitudinally displaceable manner and is guided in the bore in a section facing away from the combustion chamber.
  • the valve member merges into a sealing surface which interacts with the valve seat and thus controls the at least one injection opening.
  • a pressure chamber is formed between the valve member and the wall of the bore, which can be filled with fuel under high pressure. Due to the fuel pressure in the pressure chamber, the valve member moves against a closing force, so that depending on the ratio of the closing force to the hydraulic force, the valve member and the injection opening are opened or closed.
  • the Known fuel injection valve has the disadvantage that the fuel, which is introduced into the valve body under very high pressure, leads to a deformation of the pressure chamber and thus to a bulging of the valve body.
  • Valve member and valve body are reduced in the area of the guide. This can lead to increased wear and thus to a shorter service life of the fuel injector.
  • the valve seat which is substantially conical, tilts as a result of
  • the fuel injection valve according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the strength of the valve body is increased so that the deformation of the valve body, which is caused by the pressure in the pressure chamber, is reduced.
  • the valve body is surrounded in the area between the guided section of the valve member and the valve seat by a sleeve which has anisotropic strength properties.
  • This increases the tangential stiffness of the valve body and thus avoids the disadvantages that arise from deformation of the valve body due to the high fuel pressure in the pressure chamber.
  • the sleeve it has a greater tensile strength in the tangential direction with respect to the longitudinal axis of the bore in the valve body than in the longitudinal direction. Since the deformation of the valve body under pressure mainly takes place in the radial direction, a reinforcement of the valve body in the tangential direction is sufficient to produce the desired rigidity.
  • the sleeve has a greater modulus of elasticity in the tangential direction than the steel from which the valve body is made.
  • the sleeve contains fibers, at least some of which run at least approximately in the tangential direction.
  • Composites of this type, which contain fibers, can be produced in a direction-dependent manner in terms of their strength properties, so that their strength properties can be adjusted over a wide range.
  • the fibers are designed as carbon fibers.
  • Such carbon fibers are extremely tear-resistant in their longitudinal direction and have a high modulus of elasticity, so that moduli of elasticity and tensile strengths can be achieved which are significantly higher than those of steel.
  • the carbon fibers are embedded in a matrix made of epoxy resin.
  • epoxy resin is in this case to a thermoset, so that under Tempe j raturein Eck no flow of the material takes place.
  • the carbon fibers are embedded in a graphite matrix.
  • a carbon fiber-graphite composite has the advantage that it remains stable up to high temperatures of 200 ° C to 300 ° C and is therefore suitable for use on a fuel injector without restriction.
  • the carbon fibers are embedded in a matrix made of metal, which is preferably aluminum.
  • metal which is preferably aluminum.
  • Such composites of carbon fibers and metal have an even better temperature resistance and are also suitable for the highest thermal loads in internal combustion engines.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a fuel injection valve
  • - Figure 2 is a view of the sleeve with the drawn course of the fibers
  • Figure 3 shows another embodiment of the sleeve with a different arrangement of the fibers.
  • FIG. 1 a longitudinal section through an inventive fuel injection valve is shown in its essential area.
  • the fuel injection valve has a valve body 1 with a bore 3 which, at its end on the combustion chamber side, into an essentially conical valve seat 17 passes.
  • a valve member 5 is arranged to be longitudinally displaceable, the valve member 5 being piston-shaped and being guided in a guide section 103 of the bore 3 facing away from the combustion chamber.
  • the valve member 5 tapers from the guide section 103 to the combustion chamber to form a pressure shoulder 12 and merges at its end on the combustion chamber side into an essentially conical valve sealing surface 15 which cooperates with the valve seat 17.
  • a radial expansion of the bore 3 forms a pressure chamber 10 at the level of the pressure shoulder 12, which continues as an annular channel surrounding the valve member 5 as far as the valve seat 17.
  • the pressure chamber 10 can be filled with fuel under high pressure via an inlet bore 7 which is formed in the valve body 1.
  • the valve member 5 is acted upon by a device (not shown in the drawing) with a closing force F, which acts on the end of the valve member 5 facing away from the combustion chamber and is directed towards the valve seat 17. In Figure 1, this force F is illustrated with an arrow.
  • the introduced fuel which comes into the pressure chamber 10 and is under high pressure, results in a hydraulic opening force on the pressure shoulder 12 and on parts of the valve sealing surface 15 of the valve member 5, the hydraulic opening force being opposed to the closing force F.
  • the closing force F is constant in the fuel injection valve, fuel is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine when the fuel pressure in the pressure chamber 10 has risen to such an extent that the hydraulic opening force on the valve member 5 outweighs the closing force F.
  • the valve member 5 is then moved in the longitudinal direction, lifts with the valve sealing surface 15 from the valve seat 17 and thus releases the injection opening 20.
  • An interruption in the fuel supply to the pressure chamber 10 takes place there the pressure correspondingly decreases again until the closing force F prevails again and the valve member 5 moves back in the longitudinal direction into the closed position.
  • the valve body 1 is essentially rotationally symmetrical on its outside.
  • the valve body 1 has a relatively large outside diameter in order to enable stable guidance of the valve member 5 and the formation of the inlet channel 7.
  • the valve body 1 tapers towards the combustion chamber in its outer diameter and merges into a significantly smaller valve body shaft 101 in the region of the pressure chamber 10.
  • a sleeve 22 is arranged, which rests non-positively on the valve body shaft 101.
  • the sleeve 22 is made of a different material than the valve body 1, which is made of steel.
  • the sleeve 22 has anisotropic strength properties, so that in the region of the valve body stem 101 there is greater rigidity in the tangential direction than is possible with a valve body stem 101 made of steel.
  • the valve body 1 Due to the high pressure in the pressure chamber 10, which can be 100 to 200 MPa in modern fuel injection systems, such as are used for self-igniting internal combustion engines, the valve body 1, in particular in the region of the valve body shaft 101, is expanded by the fuel pressure. This bulge of the valve body 1 has a negative influence on the properties of the fuel injection valve. On the one hand, the bulge results in a deformation of the valve body 1 in the region of the valve body shaft 101, which essentially represents a radial widening of the bore 3.
  • valve body 1 also deforms in the region of the guide section 103, so that the guidance of the valve member 5 in the guide section 103 of the bore 3 changes, which leads to increased wear and tear can lead to a reduction in the service life of the fuel injector.
  • the structure of the valve body shaft 101 leads to a change in the valve seat 17.
  • the valve seat 17, like the valve sealing surface 15, is essentially conical. Due to the bulging of the valve body 1 in the area of the valve body stem 101, the valve seat 17 is tilted slightly outwards, so that the contact line of the valve sealing surface 15 on the valve seat 17 shifts somewhat. Since the opening pressure of the fuel injection valve depends on the size of the pressurized area on the valve seat 15, the opening pressure also changes as a result, which makes precise injection of the fuel at the desired time difficult.
  • the sleeve 22 is preferably designed as a composite material in which fibers which have a high modulus of elasticity and a high tensile strength are embedded in a matrix.
  • Figure 2 shows a sleeve 22 with the course of fibers 24 in the matrix.
  • a possible combination of fibers 24 and matrix consists of forming the fibers 24 as carbon fibers and using a matrix made of epoxy resin.
  • the carbon fibers coated with epoxy resin are wound onto the valve body 101 on the finished fuel injection valve and the epoxy resin polymerizes there by means of a suitable treatment. This results in a secure connection of the sleeve 22 to the valve body stem 101 without the need for further adhesives or similar connecting materials.
  • the sleeve 22 Due to the carbon fibers 24, the sleeve 22 has a very high modulus of elasticity and a high tensile strength in the tangential direction.
  • the modulus of elasticity of such a composite can be significantly higher than that of steel.
  • no fibers run in the longitudinal direction of the sleeve 22, so that the modulus of elasticity and also the tensile strength in the longitudinal direction, that is to say along the longitudinal axis 14, is approximately a factor 100 smaller than in the tangential direction.
  • valve body shaft 101 Since in a valve body 1 with a reinforcing sleeve 22 the valve body shaft 101 is made thinner than in a conventional fuel injection valve, the valve body shaft 101 also has low rigidity in the longitudinal direction. Due to the small modulus of elasticity of the sleeve 22 in the longitudinal direction, there is low rigidity in the entire region of the valve body shaft 101 in the longitudinal direction. This leads to a further advantage of the fuel injection valve, since the valve member 5 is hard on the valve sealing surface 15 on the valve seat 17 during the closing movement and is braked there in the shortest possible way.
  • the ratio of tangential rigidity to rigidity in the longitudinal direction of the sleeve 22 can be set very precisely and, depending on the angle ⁇ and the number of fibers, the desired rigidity is obtained.
  • a typical angle ⁇ for such compounds is 5 ° to 30 °, preferably 10 °.
  • other combinations of fibers and matrix material are also possible.
  • carbon fibers can also be embedded in a matrix of graphite, which has the advantage that the composite of graphite and carbon fibers withstands significantly higher temperatures than an epoxy resin-carbon fiber composite.
  • Graphite withstands temperatures of 200 ° C to 300 ° C, so that this combination is particularly suitable for use on fuel injection valves that are exposed to the heat of combustion in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • Aluminum or other low-melting metals, in which carbon fibers can be integrated, are suitable for this.
  • Such sleeves with a metal or graphite matrix are preferably manufactured separately from the valve body 1 and then shrunk onto the valve body 1 in order to achieve a non-positive connection between the sleeve 22 and the valve body 1.
  • various other fibers can also be used, for example polymer fibers such as aramid or glass fibers. Which type of fiber is used in combination with which matrix material is measured in accordance with the use of the fuel injection valve, the temperatures which occur and the pressures to be expected and thus the mechanical loads in the shaft region 101 of the fuel injection valve.

Landscapes

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Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem eine Bohrung (3) ausgebildet ist, die eine Längsachse (14) aufweist und an deren brennraumseitigen Ende ein Ventilsitz (17) ausgebildet ist. Im Bereich des Ventilsitzes (17) ist wenigstens eine Einspritzöffnung (20) angeordnet, die die Bohrung (3) mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. In der Bohrung (3) ist ein Ventilglied (5) längsverschiebbar angeordnet, das mit einer Dichtfläche (15) mit dem Ventilsitz (17) zur Steuerung der wenigstens einen Einspritzöffnung (20) zusammenwirkt. Zwischen der Wand der Bohrung (3) und dem Ventilglied (5) ist ein Druckraum (10) ausgebildet, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Der Ventilkörper (1) ist im Bereich des Druckraums (10) von einer Hülse (22) umgeben, die anisotrope Festigkeitseigenschaften aufweist, so daß der Ventilkörper (1) weniger Verformung durch den Druck im Druckraum zeigt.

Description

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil ist beispielsweise aus der Schrift DE 196 18 650 AI bekannt. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper auf, in dem eine Bohrung mit einer Längsachse ausgebildet ist, wobei am brennraumseitigen Ende der Bohrung ein Ventilsitz ausgebildet ist. Im Bereich des Ventilsitzes ist wenigstens eine Einspritzöffnung im Ventilkörper ausgebildet, die die Bohrung mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. In der Bohrung ist ein Ventilglied längsverschiebbar angeordnet, das in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung geführt ist. Am brennraumseitigen Ende geht das Ventilglied in eine Dichtfläche über, die mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und so die wenigstens eine Einspritzöffnung steuert. Zwischen dem Ventilglied und der Wand der Bohrung ist ein Druckraum ausgebildet, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann. Bedingt durch den Kraftstoffdruck im Druckraum bewegt sich das Ventilglied entgegen einer Schließkraft, so daß je nach Verhältnis der Schließkraft zur hydraulischen Kraft auf das Ventilglied und die Einspritzöffnung auf- oder zugesteuert wird. Hierbei weist das bekannte Kraftstoffeinspritzventil jedoch den Nachteil auf, daß es durch den Kraftstoff, der unter sehr hohem Druck in den Ventilkörper eingebracht wird, zu einer Verformung des Druckraums und damit zu einer Aufbauchung des Ventilkörpers kommt. Dies hat insbesondere Auswirkungen auf die Stellen, an denen das Ventilglied den Ventilkörper berührt, also zum einen im geführten Abschnitt des Ventilgliedes und zum anderen am Ventilsitz. Durch die Verformung des Ventilkörpers im Bereich des Druckraums, die im wesentlichen eine radiale Auf eitung des Ventilkörpers ist, kann das Spiel zwischen
Ventilglied und Ventilkörper im Bereich der Führung verringert werden. Hierdurch kann es zu einem erhöhten Verschleiß und damit zu einer geringeren Lebensdauer des Kraftstoffein- spritzventils kommen. Darüber hinaus kippt der Ventilsitz, der im wesentlichen konisch ausgebildet ist, infolge der
Auf eitung etwas nach außen. Dieses Kippen ist unerwünscht, da es den Öffnungsdruck, also den Druck im Druckraum, bei dem sich das Ventilglied entgegen der Schließkraft bewegt, beeinflußt, und den Verschleiß im Bereich des Ventilsitzes erhöht.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kenn- zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Festigkeit des Ventilkörpers erhöht ist, so daß die Verformung des Ventilkörpers, die durch den Druck im Druckraum entsteht, reduziert wird. Hierzu ist der Ventilkörper im Bereich zwischen dem geführten Abschnitt des Ventilglieds und dem Ventilsitz von einer Hülse umgeben, die anisotrope Festigkeitseigenschaften aufweist. Hierdurch läßt sich die tangentiale Steifigkeit des Ventilkörpers erhöhen und so die Nachteile, die durch eine Verformung des Ventil - körpers aufgrund des hohen Kraftstoffdrucks im Druckraum auftreten, vermeiden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Hülse weist diese in tangentialer Richtung bezüglich der Längsachse der Bohrung im Ventilkörper eine größere Zugfestigkeit auf als in Längsrichtung. Da die Verformung des Ventilkörpers unter Druck hauptsächlich in radialer Richtung erfolgt, genügt zur Herstellung der gewünschten Steifigkeit eine Verstärkung des Ventilkörpers in tangentialer Richtung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Hülse in tan- gentialer Richtung einen größeren Elastizitätsmodul auf als der Stahl, aus dem der Ventilkörper gefertigt ist. Hierdurch kann ein Teil des Ventilkörpers durch die Hülse ersetzt werden, so daß die gesamten Außenabmessungen des Ventilkörpers durch die Hülse nicht oder nur unwesentlich erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung beinhaltet die Hülse Fasern, von denen zumindest ein Teil zumindest annähernd in tangentialer Richtung verläuf . Solche Verbundwerkstoffe, die Fasern enthalten, können in ihren Festigkeitseigenschaf- ten gezielt richtungsabhängig gefertigt werden, so daß sich ihre Festigkeitseigenschaften in großen Bereichen einstellen lassen.
In einer weiteren vorteilhaf en Ausgestaltung sind die Fa- sern als Kohlenstoffasern ausgebildet. Derartige Kohlen- stoffasern sind in ihrer Längsrichtung extrem reißfest und weisen einen hohen Elastizitätsmodul auf, so daß Elastizitätsmoduln und Zugfestigkeiten erreichbar sind, die deutlich über denen von Stahl liegen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kohlenstoffasern in einer Matrix aus Epoxidharz eingebettet. Solche Kohlenstoffaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoffe sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und lassen sich so mit bekannten Techniken in jede beliebige Form bringen. Epoxidharz ist hierbei an ein Duroplast, so daß unter Tempej ratureinwirkung kein Fließen des Werkstoffs stattfindet.
In einer weiteren vorteilhaf en Ausgestaltung sind die Kohlenstoffasern in einer Matrix aus Graphit eingebettet. Ein Kohlenstoffaser-Graphit-Verbund weist hierbei den Vorteil auf, daß er bis zu hohen Temperaturen von 200 °C bis 300 °C stabil bleibt und somit für den Einsatz an einem Kraftstoffeinspritzventil unbeschränkt geeignet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kohlenstoffasern in einer Matrix aus Metall eingebettet, das vorzugsweise Aluminium ist. Solche Verbünde von Kohlenstof- fasern und Metall weisen eine noch bessere Temperaturbestän- digkeit auf und sind auch für höchste thermische Belastungen in Brennkraftmaschinen geeignet .
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritzventil , - Figur 2 eine Ansicht der Hülse mit dem eingezeichneten Verlauf der Fasern und
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Hülse mit einer anderen Anordnung der Fasern.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil in seinem wesentlichen Bereich dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ven- tilkörper 1 mit einer Bohrung 3 auf, die an ihrem brennraumseitigen Ende in einen im wesentlichen konischen Ventilsitz 17 übergeht. Im brennraumseitigen Endbereich des Ventilkörpers 1 ist wenigstens eine Einspritzöffnung 20 ausgebildet, die den Ventilsitz 17 mit dem Brennraum der Brennkraf maschine verbindet. In der Bohrung 3 ist ein Ventilglied 5 längsverschiebbar angeordnet, wobei das Ventilglied 5 kolbenförmig ausgebildet ist und in einem brennraumabgewandten Führungsabschnitt 103 der Bohrung 3 geführt wird. Das Ventilglied 5 verjüngt sich vom Führungsabschnitt 103 dem Brennraum zu unter Bildung einer Druckschulter 12 und geht an seinem brennraumseitigen Ende in eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 15 über, die mit dem Ventilsitz 17 zusammenwirkt . Durch eine radiale Erweiterung der Bohrung 3 ist auf Höhe der Druckschulter 12 ein Druckraum 10 ausgebildet, der sich als ein das Ventilglied 5 umgebender Ringkanal bis zum Ventilsitz 17 fortsetzt. Der Druckraum 10 ist über eine Zulaufbohrung 7, die im Ventilkörper 1 ausgebildet ist, mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar. Das Ventilglied 5 wird durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung mit einer Schließkraft F beaufschlagt, die auf die brennraumabgewandte Stirnseite des Ventilgliedes 5 wirkt und auf den Ventilsitz 17 zu gerichtet ist. In der Figur 1 ist diese Kraft F mit einem Pfeil veranschaulicht. Durch den eingeführten Kraftstoff, der in den Druckraum 10 gelangt und unter hohem Druck steht, ergibt sich eine hydraulische Öff- nungskraft auf die Druckschulter 12 und auf Teile der Ventildichtfläche 15 des Ventilgliedes 5, wobei die hydraulische Öffnungskraft der Schließkraft F entgegengerichtet ist. Ist bei dem Kraftstoffeinspritzventil die Schließkraft F konstant, so erfolgt eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraf maschine, wenn der Kraftstoffdruck im Druckraum 10 soweit angestiegen ist, daß die hydraulische Öffnungskraft auf das Ventilglied 5 die Schließkraft F überwiegt. Das Ventilglied 5 wird dann in Längsrichtung bewegt, hebt mit der Ventildichtfläche 15 vom Ventilsitz 17 ab und gibt so die Einspritzöffnung 20 frei. Durch eine Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr in den Druckraum 10 nimmt dort der Druck entsprechend wieder ab, bis die Schließkraft F erneut überwiegt und das Ventilglied 5 in Längsrichtung in Schließstellung zurück bewegt.
Der Ventilkörper 1 ist im wesentlichen an seiner Außenseite rotationssymmetrisch ausgebildet. Im Führungsbereich 103 weist der Ventilkörpers 1 einen relativ großen Außendurchmesser auf, um eine stabile Führung des Ventilgliedes 5 und die Ausbildung des Zulaufkanals 7 zu ermöglichen. Dem Brenn- räum zu verjüngt sich der Ventilkörper 1 in seinem Außendurchmesser und geht im Bereich des Druckraums 10 in einen deutlich kleineren Ventilkörperschaft 101 über. Um den Ventilkörperschaft 101, der an seiner Außenseite zylindrisch ausgebildet ist, ist eine Hülse 22 angeordnet, die kraft- schlüssig am Ventilkörperschaft 101 anliegt. Die Hülse 22 ist aus einem anderen Material gefertigt als der Ventilkörper 1, welcher aus einem Stahl gefertigt ist. Die Hülse 22 weist anisotrope Festigkeitseigenschaften auf, so daß sich im Bereich des Ventilkörperschafts 101 eine größere Steifig- keit in tangentialer Richtung ergibt als dies bei einen aus Stahl gefertigten Ventilkörperschaft 101 möglich ist.
Durch den hohen Druck im Druckraum 10, der bei modernen Kraftstoffeinspritzsystemen, wie sie für selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet werden, 100 bis 200 MPa betragen kann, wird der Ventilkörper 1, insbesondere im Bereich des Ventilkörperschafts 101, durch den Kraftstoffdruck aufgeweitet. Diese Aufbauchung des Ventilkörpers 1 beeinflußt die Eigenschaften des Kraftstoffeinspritzventils negativ. Zum einen ergibt sich durch die Aufbauchung eine Verformung des Ventilkörpers 1 im Bereich des Ventilkörperschafts 101, die im wesentlichen eine radiale Erweiterung der Bohrung 3 darstellt. Hierdurch verformt sich auch der Ventilkörper 1 im Bereich des Führungsabschnitts 103, so daß sich die Füh- rung des Ventilgliedes 5 im Führungsabschnitt 103 der Bohrung 3 verändert, was dort zu einem erhöhten Verschleiß und damit zu einer Verringerung der Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils führen kann. Zum anderen führt die Aufbau- chung des Ventilkörperschafts 101 zu einer Veränderung am Ventilsitz 17. Der Ventilsitz 17 ist ebenso wie die Ventil- dichtfläche 15 im wesentlichen konisch ausgebildet. Durch die Aufbauchung des Ventilkörpers 1 im Bereich des Ventil- körperschafts 101 wird der Ventilsitz 17 leicht nach außen verkippt, so daß sich die Anlagelinie der Ventildichtfläche 15 am Ventilsitz 17 etwas verschiebt. Da der Öffnungsdruck des Kraftstoffeinspritzventils von der Größe der druckbeaufschlagten Fläche am Ventilsitz 15 abhängt, ändert sich hierdurch auch der Öffnungsdruck, wodurch eine präzise Einspritzung des Kraftstoffs zum gewünschten Zeitpunkt erschwert wird.
Die Hülse 22 ist vorzugsweise als Verbundwerkstoff ausgeführt, bei dem Fasern, die einen hohen Elastizitätsmodul und eine hohe Zugfestigkeit aufweisen, in einer Matrix eingebettet sind. Figur 2 zeigt eine Hülse 22 mit dem Verlauf von Fasern 24 in der Matrix. Eine mögliche Kombination von Fasern 24 und Matrix besteht darin, die Fasern 24 als Kohlen- stoffasern auszubilden und eine Matrix aus Epoxidharz zu verwenden. Die mit Epoxidharz ummantelten Kohlenstoffasern werden am fertigen Kraftstoffeinspritzventil auf den Ventil- körperschaft 101 aufgewickelt und das Epoxidharz polymeri- siert dort durch eine geeignete Behandlung. Hierdurch erhält man eine sichere Verbindung der Hülse 22 zum Ventilkörperschaft 101, ohne daß weitere Klebemittel oder ähnliche Verbindungsmaterialien notwendig wären. Durch die Kohlenstoffa- sern 24 weist die Hülse 22 in tangentialer Richtung einen sehr hohen Elastizitätsmodul und eine hohe Zugfestigkeit auf. Der Elastizitätsmodul eines solchen Verbundes kann deutlich über dem von Stahl liegen. Ein typischer Wert für den Elastizitätsmodul von Stahl ist E = 200.000 N/mm2, wäh- rend sich mit Kohlenstoffaser-Epoxidharz-Verbunden Elastizitätsmoduln von 300.000 N/mm2 und mehr erreichen lassen. In Längsrichtung der Hülse 22 verlaufen in der Ausgestaltung der Figur 2 keine Fasern, so daß der Elastizitätsmodul und auch die Zugfestigkeit in Längsrichtung, also entlang der Längsachse 14 um etwa einen Faktor 100 kleiner ist als in tangentialer Richtung. Da bei einem Ventilkörper 1 mit einer verstärkenden Hülse 22 der Ventilkörperschaft 101 dünnwandiger ausgebildet ist als bei einem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventil, weist auch der Ventilkörperschaft 101 in Längsrichtung eine geringe Steifigkeit auf. Bedingt durch den kleinen Elastizitätsmodul der Hülse 22 in Längsrichtung, ergibt sich eine geringe Steifigkeit im gesamten Bereich des Ventilkörperschafts 101 in Längsrichtung. Dies führt zu einem weiteren Vorteil des Kraftstoffeinspritzventils, da das Ventilglied 5 bei der Schließbewegung hart mit der Ventil- dichtfläche 15 auf dem Ventilsitz 17 aufsetzt und dort auf kürzestem Wege abgebremst wird. Durch die Verminderung der Steifigkeit des Ventilkörpers 1 in axialer Richtung im Bereich des Ventilkörperschaf s 101 verlängert sich der Bremsweg und somit wird die notwendige Bremskraft auf das Ventil- glied 5 herabgesetzt, was zu einer geringeren mechanischen Belastung im Bereich des Ventilsitzes 17 und damit zu einem verminderten Verschleiß in diesem Bereich führt .
Es kann aber auch erwünscht sein, in Längsrichtung der Hülse 22 einen höheren Elastizitätsmodul zu haben als er allein durch das Matrixmaterial des Verbundwerkstoffs gegeben ist. Hierzu können verschiedene Lagen von Fasern in der Hülse 22 angeordnet werden, die einen Winkel α miteinander einschließen. Hierdurch kann man das Verhältnis von tangentialer Steifigkeit zur Steifigkeit in Längsrichtung der Hülse 22 sehr genau einstellen und erhält, je nach Winkel α und Anzahl der Fasern, die gewünschte Steifigkeit. Ein typischer Winkel α für solche Verb nde ist hierbei 5° bis 30°, wobei vorzugsweise 10° verwendet werden. Neben der Kombination aus Kohlenstoffaser und Epoxidharz sind auch andere Kombinationen von Fasern und Matrixmaterial möglich. Beispielsweise lassen sich Kohlenstoffasern auch in einer Matrix aus Graphit einbetten, was den Vorteil hat, daß der Verbund aus Graphit und Kohlenstoffasern deutlich höheren Temperaturen widersteht als ein Epoxidharz- Kohlenstoffaser-Verbund. Graphit widersteht Temperaturen von 200 °C bis 300 °C, so daß diese Kombination insbesondere für die Anwendung an Kraftstoffeinspritzventilen geeignet sind, die der Verbrennungshitze im Brennraum der Brennkraftmaschine ausgesetzt sind. Daneben ist es auch möglich, die Kohlenstoffasern in einer Matrix aus Metall einzubetten. Hierzu eignet sich beispielsweise Aluminium oder andere niedrigschmelzende Metalle, in die sich Kohlenstoffasern einbinden lassen. Solche Hülsen mit Metall- oder Graphitmatrix werden vorzugsweise separat vom Ventilkörper 1 gefertigt und anschließend auf den Ventilkörper 1 aufgeschrumpft, um eine kraftschlüssige Verbindung von Hülse 22 und Ventilkörper 1 zu erreichen.
Neben Kohlenstoffasern lassen sich auch verschiedene andere Fasern anwenden, beispielsweise Polymerfasern wie Aramid- oder Glasfasern. Welche Faserart in Kombination mit welchem Matrixmaterial jeweils zur Anwendung kommt, bemißt sich nach dem Einsatz des Kraftstoffeinspritzventils, nach den auftretenden Temperaturen und den zu erwartenden Drücken und damit den mechanischen Belastungen im Schaftbereich 101 des Kraftstoffeinspritzventils .

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1) , in dem eine Bohrung (3) ausgebildet ist, die eine Längsachse (14) aufweist und an deren brennraumseitigen Ende ein Ventilsitz (17) ausgebildet ist, wobei im Bereich des Ventilsitzes (17) wenigstens eine Einspritzöffnung (20) angeordnet ist, die die Bohrung (3) mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet, und mit einem Ventilglied (5) , das in der Bohrung (3) längsverschiebbar angeordnet ist und das mit einer am Ventilglied (5) ausgebildeten Dichtfläche (15) mit dem Ventilsitz (17) zur Steuerung der wenigstens einen Einspritzöffnung (20) zusammenwirkt, und mit einem Druckraum (10) , der zwischen der Wand der Bohrung (3) und dem Ventilglied (5) ausgebildet ist und mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (1) im Bereich des Druckraums (10) von einer
Hülse (22) umgeben ist, die anisotrope Festigkeitseigenschaften aufweist.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (22) als Hohlzylinder mit ei- ner zylindrischen Innenfläche ausgebildet ist und mit der gesamten Innenfläche formschlüssig an dem Ventilkörper (1) anliegt.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (22) in tangentialer Richtung bezüglich der Längsachse (14) der Bohrung (3) eine größere Zugfestigkeit aufweist als in Längsrichtung.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (1) aus Stahl gefertigt ist und daß die Hülse (22) in tangentialer Richtung eine größere Zugfestigkeit aufweist als der Ventilkör- per (1) .
5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse Fasern (24) beinhaltet, von denen zumindest ein Teil zumindest annähernd in tangentialer Richtung bezüglich der Längsachse (14) der Bohrung (3) verläuft.
6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (24) Kohlenstoffasern sind.
7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern (24) in eine Ma- trix aus Epoxidharz eingebettet sind.
8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern (24) in eine Matrix aus Graphit eingebettet sind.
9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern (24) in eine Matrix aus Metall eingebettet sind.
10. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist.
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