EP1802863B1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik
• Bei der vorliegenden Erfindung wird von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen ausgegangen, wie es aus der Offenlegungsschrift DE 39 20 315 A1 bekannt ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil weist eine in einem Druckraum angeordnete Ventilnadel auf, die mit einem Ventilsitz zur Steuerung eines Kraftstoffflusses zu meist mehreren Einspritzbohrungen zusammenwirkt. Die Einspritzbohrungen sind hierbei dem Ventilsitz in Flussrichtung nachgeordnet und verlaufen im Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils, wobei sie am zuflussseitigen Ende eine Eintrittsöffnung und am auslaufseitigen Ende eine Austrittsöffnung aufweisen. Die Eintrittsöffnungen sind in der Wandung des Druckraums ausgebildet, so dass der im Druckraum befindliche Kraftstoff durch die Einspritzbohrungen in den Brennraum der Brennkraftmaschinen einspritzbar ist.
• Aus der US 6 047 904 A ist ein Einspritzventil bekannt, das mehrere Einspritzbohrungen aufweist, die untereinander über ihre gesamte Länge verbunden sind.
• JP S61 159667 U offenbart eine erste Einspritzbohrung im Sackloch mit Eintritts- und Austrittsöffnung. Von der ersten Bohrung geht eine Querbohrung ab, die eine eigene Austrittsöffnung aufweist, deren Eintrittsöffnung jedoch nur über die erste Bohrung mit dem Sackloch verbunden ist. Bei der Auslegung der Kraftstoffeinspritzventile ist es wichtig, dass bei einem gegebenen Druck ein bestimmter Kraftstoff-Durchfluss erreicht wird, also eine bestimmte Kraftstoffmenge, die pro Zeiteinheit durch die Einspritzöffnungen ausgespritzt wird. Um eine gute Zerstäubung des Kraftstoffs zu erreichen, darf ein bestimmter Durchmesser der Einspritzbohrungen nicht überschritten werden, so dass der Durchfluss im wesentlichen über die Anzahl der Spritzlöcher eingestellt werden muss. Die Anzahl der Spritzlöcher ist jedoch durch den Durchmesser der Einspritzbohrungen einerseits und den zur Verfügung stehenden Lochkreisdurchmesser andererseits begrenzt. Das versetzte Anordnen der Spritzlöcher auf zwei Lochkreise ist bei der beengten Geometrie, wie sie beispielsweise bei Mikro-Sackloch-Düsen gegeben ist, häufig nicht möglich.
Vorteile der Erfindung
• Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine ververbesserte Gemischaufbereitung und damit eine höhere Leistung des Motors möglich ist. Hierzu werden die Eintrittsöffnungen der Einspritzbohrungen so angeordnet, dass sie sich überlappen oder zumindest berühren. Dadurch lassen sich mehr Einspritzbohrungen unterbringen, als dies möglich wäre, wenn die Eintrittsöffnungen mit der üblichen Stegbreite zwischen ihnen direkt von der Wandung des Sacklochs ausgingen. An den Ventilsitz anschließend ist ein Sackloch ausgebildet, das zumindest im Wesentlichen die Form einer Halbkugel aufweist. Das Sackloch kann sich hierbei unmittelbar an den konischen Ventilsitz anschließen oder auch durch einen Absatz von diesem getrennt sein.
• Weiter sind die Einspritzbohrungen so angeordnet, dass sich die Eintrittsöffnungen überlappen und dadurch eine Bohrungsverschneidung gebildet wird. Dadurch lässt sich ein hoher Durchfluss des Kraftstoffeinspritzventils erreichen, wobei sehr viele Austrittsöffnungen mit kleinem Durchmesser ausgebildet werden können, die ein feines Zerstäuben des Kraftstoffs ermöglichen.
Zeichnung
• In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt

Figur 1

einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritzventil, wobei nur die wesentlichen Bauteile gezeigt sind,

Figur 2

ein Beispiel wobei nur der Bereich des Ventilsitzes vergrößert dargestellt ist und zusätzlich eine Draufsicht auf das Sackloch,

Figur 3

ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils, bei dem der effektive Lochkreisdurchmesser durch eine Verrundung der Stege zwischen den Einspritzbohrungen erweitert ist,

Figur 4

ein weiteres Ausführungsbeispiel in Form einer Sitzlochdüse, wobei hier die Ventilnadel eingezeichnet ist,

Figur 5

ein weiteres Ausführungsbeispiel und eine Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Kraftstoffeinspritzventils und

Figur 6

zeigt in einem Querschnitt des Kraftstoffeinspritzventils eine Anordnung der Einspritzbohrungen mit einer Bohrungsverschneidung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Ventilkörper 3 und einen in der Zeichnung nicht dargestellten Haltekörper umfasst. Die Einzelteile des Gehäuses 1 werden durch eine Spannmutter 9 gegeneinander gepresst, so dass zwischen den einzelnen Bauteilen eine dichte Verbindung entsteht. Im Ventilkörper 3 ist ein Druckraum 11 ausgebildet, der im brennraumzugewandten Bereich die Form einer Bohrung 12 aufweist, wobei die Bohrung 12 eine Längsachse 8 aufweist. Der Druckraum 11 wird hierbei an seinem brennraumseitigen Ende von einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 36 begrenzt, an den sich unmittelbar ein Sackloch 38 anschließt, so dass zwischen Sackloch 38 und Ventilsitz 36 eine Übergangskante 44 gebildet wird. Vom Sackloch 38 gehen mehrere Einspritzbohrungen 40 aus, deren Eintrittsöffnungen 41 in der Wandung des Sacklochs 38 und deren Austrittsöffnungen 42 an der Außenseite des Gehäuses 1 angeordnet sind. Im Druckraum 11 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 10 längsverschiebbar angeordnet, die eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 34 aufweist, mit der sie mit dem konischen Ventilsitz 36 zusammenwirkt und hierbei den Kraftstofffluss aus dem Druckraum 11 in das Sackloch 38 steuert, wobei der Kraftstoff zwischen der Ventilnadel 10 und der Wandung des Druckraums 11 vorgehalten wird.
• Die Ventilnadel 10 wird in einem mittleren Abschnitt der Bohrung 12 geführt, wobei Anschliffe 17 in diesem Bereich vorgesehen sind, die einen Kraftstofffluss durch den Druckraum 11 in Richtung des Ventilsitzes 36 bzw. des Sacklochs 38 ermöglichen. Am ventilsitzseitigen Ende des geführten Abschnitts der Ventilnadel 10 ist eine Druckschulter 13 ausgebildet, auf die bei Druckbeaufschlagung eine vom Ventilsitz 36 weggerichtete Kraft auf die Ventilnadel 10 ausgeübt wird. Die Bohrung 12 erweitert sich am ventilsitzabgewandten Ende zu einem Federraum 14, in dem eine Schließfeder 16 zwischen einer die Ventilnadel 10 umgebenden Hülse 18 und einem Absatz an der Ventilnadel 10 unter Druckvorspannung angeordnet ist. Die Schließfeder 16 wirkt auf die Ventilnadel 10 in Richtung des Ventilsitzes 36, so dass - beim Fehlen weiterer Kräfte - die Ventildichtfläche 34 gegen den Ventilsitz 36 gedrückt wird und dadurch das Sackloch 38 gegen den Druckraum 11 abgedichtet. Über einen im Gehäuse 1 ausgebildeten und in der Zeichnung nicht dargestellten Zulaufkanal lässt sich der Federraum 14 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllen, wobei sich der Druck, bedingt durch die Anschliffe 17, durch den gesamten Druckraum 11 bis zum Ventilsitz 36 fortsetzt.
• Durch die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Ventilnadel 10 und die Hülse 18 wird ein Steuerraum 20 begrenzt, der mit Kraftstoff gefüllt ist und dessen Druck über ein Steuerventil regelbar ist. Je nach Druck im Steuerraum ergibt sich eine mehr oder weniger große Kraft auf die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Ventilnadel 10, die sich über das Steuerventil regeln lässt. Im Druckraum 11 herrscht im Betrieb der Brennkraftmaschine ständig hoher Druck, der dem Einspritzdruck entspricht. Wird der Druck im Steuerraum 20 abgesenkt, so bewegt sich die Ventilnadel 10 angetrieben durch die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 13 vom Ventilsitz 36 weg und gibt zwischen dem Ventilsitz 36 und der Ventildichtfläche 34 einen Querschnitt frei, durch den Kraftstoff aus dem Druckraum 11 zu den Einspritzbohrungen 40 strömen kann. Soll die Einspritzung beendet werden, wird der Druck im Steuerraum 20 wieder erhöht, so dass die Ventilnadel 10 zurück in Anlage an den Ventilsitz 36 gedrückt wird und den Kraftstofffluss zu den Einspritzöffnungen 40 unterbricht
• Figur 2 zeigt eine Vergrößerung von Figur 1 im Bereich des Ventilsitzes 36 zusammen mit einer Draufsicht entlang der Linie II-II auf das Sackloch 38. Die Ventilnadel 10 ist der Übersichtlichkeit halber hier nicht dargestellt. An den konischen Ventilsitz 36 schließt sich das Sackloch 38 an, dessen Wandung im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfs aufweist. Vom Sackloch 38 gehen sternförmig mehrere Einspritzbohrungen 40 aus, die jeweils eine Eintrittsöffnung 41 und eine Austrittsöffnung 42 aufweisen, wobei die Austrittsöffnungen 42 an der Außenseite des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet sind. Die Eintrittsöffnungen 41 sind in der Wandung des Sacklochs 38 so angeordnet, dass sie sich gerade berühren. Hebt die Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 36 ab, so strömt Kraftstoff aus dem Druckraum 11 zwischen der Ventildichtfläche 34 und dem Ventilsitz 36 hindurch in das Sackloch 38, wo der Kraftstoff durch die Eintrittsöffnungen 41 in die Einspritzbohrungen 40 einströmt und schließlich durch die Austrittsöffnungen 42 in den Brennraum eingespritzt wird. Da die Eintrittsöffnungen 42 bezüglich der Längsachse der Bohrung 12 auf derselben Höhe angeordnet sind, bilden sie einen Lochkreis, der einen Lochkreisdurchmesser D aufweist In der Draufsicht wird deutlich, dass auf Grund der großen Zahl von Einspritzbohrungen 40 die Stege zwischen den einzelnen Einspritzbohrungen 40 sehr dünn sind. Die Form des Sacklochs 38 ist zumindest im wesentlichen halbkugelförmig. Auch kann das Sackloch 38, anders als in der Figur 2 dargestellt, im Verhältnis zur Ventilnadel 10 wesentlich kleiner ausgebildet sein, was insbesondere bei sogenannten Mikro-Sackloch-Düsen der Fall ist
• Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils, wobei dieselbe Darstellung wie in Figur 2 gewählt wurde. Da die sehr dünnen Stege zwischen den Einspritzbohrungen 40 im Bereich des Sacklochs relativ instabil sind, wurden sie hier durch einen Rundungsprozess teilweise abgetragen, so dass sich der effektive Lochkreisdurchmesser D vergrößert. Durch die abgetragenen Stege ergibt sich so eine Ausnehmung im Sackloch 38, was den effektiven Lochkreisdurchmesser D erhöht.
• Durch diese Anordnung der Eintrittsöffnungen 41 lassen sich mehr Einspritzbohrungen 40 im Kraftstoffeinspritzventil unterbringen, was bei vorgegebenem Durchfluss eine bessere Zerstäubung des Kraftstoffs bedeutet. Bleibt die Anzahl der Einspritzbohrungen 40 gleich, ergibt sich durch das Abtragen der Stege zwischen den Einspritzbohrungen 40 eine vergrößerte Stegbreite, was die Stabilität an dieser Stelle verbessert.
• Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in gleicher Darstellung wie Figur 3, bei dem das Kraftstoffeinspritzventil als Sitzlochdüse ausgebildet ist. Das Sackloch entfällt hier und statt dessen gehen die Einspritzbohrungen 40 direkt vom Ventilsitz 36 aus, wobei die Ventilnadel 10 flussaufwärts der Einspritzbohrungen 40 auf dem Ventilsitz 36 aufsetzt. Die Einspritzbohrungen 40 sind wiederum in Anzahl und Größe so beschaffen, dass sich deren Eintrittsöffnungen 41 gerade berühren, solange die Stege zwischen den Einspritzbohrungen 40 nicht abgetragen sind. In Figur 4 ist der Zustand nach dem Abtragen der Stege im Bereich des Ventilsitzes 36 gezeigt, so dass sich in der Draufsicht eine ganz ähnliche Form wie in Figur 3 ergibt.
• Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils, wobei hier die Stege zwischen den Einspritzbohrungen 40 durch einen Erodierprozess abgetragen wurden. Dadurch wird eine Ausnehmung gebildet, die in einer Ebene um den gesamten Umfang des Sacklochs 38 herumführt, so dass in dem hierdurch entstehenden großen Lochkreisdurchmesser eine große Zahl von Einspritzbohrungen 40 untergebracht werden kann. Zur Erzeugung dieser ringnutförmigen Ausnehmung kann ein elektroerosives Verfahren eingesetzt werden, was in Figur 4 angedeutet ist. Ein entsprechend gebogenes Erodierwerkzeug 55 wird rotierend bewegt, so dass die Ausnehmung durch Materialabtragung an der Wandung des Sacklochs 38 entsteht.
• Figur 6 zeigt in einem Querschnitt durch ein Kraftstoffeinspritzventil auf Höhe des Sackloch 38 eine weitere Möglichkeit, die Einspritzbohrungen 40 anzuordnen. Die Eintrittsöffnungen 41 der Einspritzbohrungen 40 überlappen sich hierbei fast vollständig, so dass eine Bohrungsverschneidung gebildet wird. Dadurch lässt sich bei einer relativ großen Stegbreite zwischen den Sackbohrungen 46 eine große Zahl von Austrittsöffnungen 42 unterbringen bilden, über die der Kraftstoff letztendlich in den Brennraum eingespritzt wird. Die sich ergebende Y-förmige Bohrungsverschneidung kann durch Einsetzen eines hydroerosiven Rundungsverfahrens oder eines anderen Rundungsverfahrens an den Kanten geglättet werden. Hierdurch wird der Strömungswiderstand beim Übertritt des Kraftstoffs vom Sackloch 38 in die Einspritzbohrungen 40 gemindert, was den effektiven Einspritzdruck erhöht. Ebenso können die Kanten bei den übrigen Bohrungsverschneidungen und Übergängen, die in den vorangegangenen Ausführungsbeispiel dargestellt sind, mit einem ähnlichen Verfahren gerundet werden.

Claims (3)

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einem Gehäuse (1) ausgebildeten Druckraum (11), in dem zumindest zeitweise Kraftstoff unter hohem Druck vorhanden ist und in dem eine Ventilnadel (10) angeordnet ist, die mit einem Ventilsitz (36) zur Steuerung eines Kraftstoffflusses aus dem Druckraum (11) zu wenigstens zwei Einspritzbohrungen (40) zusammenwirkt, wobei die Einspritzbohrungen (40) eine Eintrittsöffnung (41), die in der Wandung des Druckraums (11) angeordnet ist, und eine Austrittsöffnung (41) aufweisen, wobei die Eintrittsöffnungen (41) so angeordnet sind, dass Kraftstoff aus dem Druckraum (11) in die Einspritzbohrungen (40) einfließt, wenn die Ventilnadel (10) vom Ventilsitz (36) abgehoben hat, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Eintrittsöffnungen (41) von wenigstens zwei der Einspritzbohrungen (40) in der Wandung des Druckraums (11) soweit überlappen, dass eine Bohrungsverschneidung gebildet wird, wobei die Austrittsöffnungen (42) der Einspritzbohrungen (40) getrennt voneinander an der Außenseite des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet sind und wobei sich an den Ventilsitz (36) ein Sackloch (38) anschließt, das zumindest im wesentlichen die Form einer Halbkugel aufweist und von dem die Einspritzbohrungen (40) ausgehen.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, bei dem sich das Sackloch (38) unmittelbar stromabwärts an den konischen Ventilsitz (36) anschließt.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, bei dem das Sackloch (38) die Form eines Kegelstumpfs aufweist, der dem Ventilsitz (36) abgewandt verschlossen ist.

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