WO2002090760A1

WO2002090760A1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen

Info

Publication number: WO2002090760A1
Application number: PCT/DE2002/001664
Authority: WO
Inventors: Michael Lindner; Jürgen Bauer; Martin Zimmer; Claus Westphal; Alexander Redlich; Rüdiger BOHNSACK; Peter Rehbein; Jürgen HACKENBERG; Georg Ketteler; Marcus Rinke; Jochen STRÄHLE
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2002-11-14
Also published as: EP1387947A1; JP2004519603A; DE10122167A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Bohrung (5) eines Ventilkörpers (1) axial verschiebbar geführten Ventilglied (7), das den Kraftstoff-durchtritt durch wenigstens eine Einspritzöffnung steuert. Am Ventilglied (7) ist eine Führungsfläche ausgebildet, mit der das Ventilglied (7) gleitverschiebbar in der Bohrung (5) geführt wird. In der Führungsfläche (23) des Ventilgliedes (7) ist eine Vielzahl von Ausnehmungen vorgesehen, die als Schmierdepots (27) ausgebildet sind und einen Durchmesser von weniger als 80 µm und eine Tiefe von weniger als 20 µm aufweisen und so eine reduzierte Reibung und damit einen geringeren Führungsspalt zwischen Ventilglied (7) und der Wand der Bohrung (5) ermöglicht.

Description

Kraf stoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei derartigen Kraftstoffeinspritzventilen ist ein kolbenförmiges Ventilglied axial verschiebbar in einer Bohrung eines Ventilkörpers geführt, wobei das brennraumseitige Ende des Ventilgliedes eine Ventildichtfläche aufweist, mit der es zur Steuerung des Kraftstoffdurchtritts zu einer in den Brennraum der Brennkraf maschine mündenden Einspri söffnung mit einem am brennraumseitigen Ende der Bohrung vorgesehenen ortsfesten Ventilsitz zusammenwirkt. Die Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes erfolgt dabei entgegen einer Rückstell- kraft, meist der Kraft einer Ventilfeder, und durch einen am Ventilglied in Öffnungsrichtung angreifenden hohen Einspritzdruck des zuströmenden Kraftstoffes. Zur Krafteinleitung dieses Öffnungsdruckes auf das Ventilglied weist dieses eine durch einen Ringabsatz gebildete Druckschulter auf, die in einen durch eine Querschnittserweiterung der Bohrung gebildeten Druckraum ragt. Dabei ist das Ventilglied mit seinem brennraumabgewandten, im Querschnitt vergrößerten Ξchafcteil dichtend gleitverschiebbar in einem einen Führungsabschnitt bildenden Teil der Bohrung im Ventilkörper geführt. Dieser Schafttεil des Ventilgliedes bildet dabei eine Fuhrungsflache am brennraumabgewandten Ende des Ventil- gliedes, die durch seine sehr enge Führung in der Bohrung einem hohen Verschleiß ausgesetzt ist. Dabei weisen die bekannten Kraftstoffeinspritzventile, insbesondere bei sehr hohen Einspritzdrücken, den Nachteil auf, daß es durch die hohen Kraftstoffdrücke zu einer erhöhten Reibung der Führungsfläche in der Bohrung kommt . Zur Verminderung dieser Reibung ist bisher beispielsweise vorgesehen, eine reibungs- vermindernde Beschichtung auf die Führungsfläche aufzubringen, was allerdings sehr kostenintensiv ist.

Aus der Offenlegungsschrift DE 198 43 344 AI ist ein Kraft- stoffeinspriuzyentil bekannt, bei dem ein Ventilglied in seiner Führungsfläche Ausnehmungen aufweist, die einen Durchmesser von 200 bis 500 μm und eine Tiefe von 20 bis 50 μm aufweisen. Ziel dieser Ausnehmungen ist es, das Ventilglied in der Bohrung hydraulisch zu zentrieren. Diese Ausnehmungen sind jedoch nicht dafür geeignet, die Reibung zwischen der Führungsfläche des Ventilglieds und der Wand der Bohrung entscheidend zu vermindern. Hierdurch bleibt es weiterhin erforderlich, eine reibungsver indernde Beschichtung auf die Führungsfläche aufzubringen und darüber hinaus den Abstand zwischen Führungsfläche und Bohrungswand relativ groß zu wählen. Dies bringt auch den Nachteil mit sich, daß die Leckage relativ groß ist, also der Kraftstoffström, der aus dem Druckraum am Ventilglied vorbei in einen Leckölraum strömt, in den die Bohrung mündet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Reibung des Ventilglieds in der Bohrung deutlich vermindert ist, was eine reibungsvermindernde Beschichtung des Ventilglieds überflüssig macht. Hierdurch läßt sich das Führungsspiel des Ventilglieds entsprechend ebenfalls vermindern, was zu einer Abnahme des Leckölstro s führt. Am Ventilglied sind kleine Ausnehmungen vorhanden, die vorzugsweise eine kreisförmige Form haben. Sie weisen einen Durchmesser von 5 bis 80 μm auf und eine Tiefe, die 20 μm nicht überschreitet. Diese Ausnehmungen wirken als Schmierdepots, die Kraftstoff speichern und bei Bedarf an ihre Umgebung abgeben können. Der Kraftstoff dient in diesem Fall als Schmierstoff, was insbesondere bei Kraf stoffen, wie sie für selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet werden, der Fall ist.

Die Schmierdepots sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Ventilglieds verteilt angeordnet und eng benachbart. Auf diese Weise lassen sich bei einem Durchmesser von 5 μm und einem Abstand von ebenfalls 5 μm der Schmierdepots voneinander bis zu 10000 Schmierdepots pro mm² ausbilden, wenn die Schmierdepots in einem Rechteckraster angeordnet werden. Bei einem größeren Durchmesser der Schmierdepots sind entsprechend weniger' Schmierdepots* pro Flächeneinheit vorhanden. Aufgrund der geringen Tiefe der Schmierdepots können diese mit verschiedenen Verfahren an der Führungsfläche des Ventilglieds ausgebildet werden. Beispielsweise sind hierfür Laserbehandlung, Hartdrehen, Funkenerosion oder lithographische Verfahren geeignet. Mit diesen Verfahren läßt sich eine große Zahl von Schmierdepots kostengünstig und in kurzer Zeit herstellen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Schmierdepots mit einer ovalen Kontur ausgebildet, so daß ihre Schmiereigenschaften richtungsabhängig sind. Somit läßt sich durch eine geeignete Orientierung der Schmierdepots die gewünschte Wirkung in einfacher Art und Weise einstellen. Die Schmierdepots sind dabei bei den beschriebenen Ausfüh- rungsbeispielen in die Umfangsflache des Ventilgliedes eingearbeitet. Es ist alternativ jedoch auch möglich, diese Schmierdepots in der Wand der Führungsbohrung im Bereich der Führungsfläche des Ventilgliedes vorzusehen und so den gleichen hydraulischen Schmiereffekt zu bewirken. Dabei sollten auch in diesem Fall die Schmierdepots im Bereich von Mikrometergrößen ausgebildet sein, um ein Abreißen des Schmierfilmes zwischen Ventilglied und Bohrung sicher zu vermeiden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsge äßen Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils,

Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Figur 1 im Bereich der Führungsfläche des Ventilglieds, Figur 3 denselben Ausschnitt wie Figur 2 eines weiteren Ausführungsbeispiels ,

Figur 4 ein erstes Anordnungsbeispiel der Schmierdepots auf der Führungsfläche des Ventilglieds und Figur 5 ein weiteres Anordnungsbeispiel der Schmierdepots . Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in der Figur 1 nur in seinem erfindungswesentlichen Bereich dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen weist einen Ventilkörper 1 auf, in dem eine von seiner brennraumfer- nen Stirnfläche 3 ausgehende axiale Bohrung 5 eingebracht ist. In dieser Bohrung 5 ist ein kolbenförmiges Ventilglied 7 axial verschiebbar geführt, dessen unteres, brennraumsei- tiges Ende kegelförmig ausgebildet ist, wobei die Kegelfläche eine konische Ventildichtfläche 9 bildet. Diese Ventil - dichtfläche 9 wirkt dabei mit einem konischen, die Sackbohrung 5 brennraumseitig begrenzenden Ventilsitz 11 zusammen, von dem stromabwärts ^'der Dichtlinie zwischen Ventildichtfläche 9 und Ventilsitz 11 wenigstens eine Einspritzöffnung 13 abführt, die in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine mündet. Desweiteren weist das Ventilglied 7 eine durch eine Durchmesserverringerung des Ventilgliedes 7 gebildete, in Richtung Ventildichtfläche 9 weisende Druckschulter 15 auf, -die in eine einen Druckraum 17 bildende Querschnittserweiterung der Bohrung 5 im Ventilkörper 1 ragt. In diesen Druckraum 17 mündet ein schräg von der Stirnfläche 3 ausgehender Hochdruckkanal 19, der in nicht näher dargestellter Weise über Zulaufleitungen an eine Kraftstoffhochdruckquelle angeschlossen ist, die den Druckraum 17 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff befüllt. Stromabwärts setzt sich der Druckraum 17 über einen zwischen Ventilglied 7 und Bohrungswand 5 gebildeten Ringspalt 21 bis an die Ventilsitzfläche 11 fort, so daß der Kraftstoffhochdruck am Dichtquerschnitt zwischen Ventildichtfläche 9 und Ventilsitz 11 ansteht. Mit seinem ventilsitzabgewandt , an die Druckschulter 15 angrenzenden Schaftteil bildet das Ventilglied 7 eine Führungsfläche 23, mit der das Ventilglied 7 mit einer engen Passung gleitverschiebbar an der Wand der Sackbohrung 5 geführt ist. In der Figur 2 ist ein Ausschnitt aus Figur 1 im Bereich der Führungsfläche 23 des Ventilgliedes 7 vergrößert dargestellt. Auf der Führungsfläche 23 ist eine Vielzahl von Ausnehmungen 27 ausgebildet, die vorzugsweise eine kreisförmige Kontur aufweisen und über den gesamten Umfang des Ventilglieds 7 verteilt angeordnet sind. Die Ausnehmungen sind dabei als Schmierdepots 27 ausgebildet und weisen im Ausführungsbeispiel einem Durchmesser auf, der kleiner als 80 μm ist, vorzugsweise 5 bis 40 μm. Die Tiefe der Schmierdepots 27 beträgt dabei weniger als 30 μm, vorzugsweise 2 bis 20 μm. Der Abstand der die Schmierdepots 27 bildenden Ausnehmungen zueinander kann in weiten Grenzen Variiert werden und beträgt vorzugsweise den ein bis zweifachen Durchmesser der Schmierdepots 27. Dabei werden diese Schmierdepots 27 vorzugsweise mittels eines Lasereinbrennverfahrens, mittels Einwalzens in die Führungsfläche 23 oder mit einem lithographischen Verfahren eingebracht. Durch diese sehr kleinen Schmierdepots 27 wird die Reibung zwischen der Fuhrungsflache 23 des Ventilglieds 7 und der Wand der Bohrung 5 entscheidend reduziert, da diese Schmierdepots 27 den Kraftstoff speichern und bei Bedarf abgeben können. Dadurch kann das Führungsspiel des Ventilglieds 7 in der Bohrung 5 entscheidend verringert werden, was zu einer Verringerung des Leckölstroms führt, der bei jedem Kraftstoffeinspritzventil auftritt: Aufgrund des hohen Drucks im Druckraum 17 fließt zumindest während der Einspritzphasen des Kraftstoffein- spritzventils Kraftstoff zwischen der Führungsfläche 23 und der Wand der Bohrung 5 vom Druckraum 17 in einen in der Zeichnung nicht dargestellten Leckölraum, in dem ein deutlich niedrigerer Kraftstoffdruck herrscht. Um unnötig hohe Leckölraten und die damit verbundenen Schwierigkeiten zu vermeiden ist es vorteilhaft, die Leckölraten möglichst klein zu halten. Da das Lecköl aus dem Leckölraum zurück in den Kraftstofftank gefördert wird führt eine hohe Leckölrate beispielsweise dazu, daß sich der Kraftstoff im Vorratstank unter Umständen zu stark erwärmt.

In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schmierdepots 27 gezeigt, wobei der gezeigte Ausschnitt dem Ausschnitt der Figur 2 entspricht. Die Schmierdepots 27 weisen hierbei eine ovale Form auf, so daß die Schmiereigenschaften richtungsabhängig sind. Je nach Orientierung der Ovale läßt sich die Schmierwirkung beeinflussen und so an die jeweiligen Erfordernisse des Kraftstoffeinspritzventil anpassen. Als Durchmesser der Schmierdepots 27 ist in diesem Fall die größte Ausdehnung in der Ebene der Führungsfläche 23 zu verstehen.

Figur 4 zeigt ein Anordnungsbeispiel der Schmierdepots 27 auf der Führungsfläche 23 des Ventilglieds 7. Hierbei sind die Schmierdepots 27 in einem rechteckigen Muster angeordnet, bei der die Schmierdepots 27 jeweils an den Ecken eines Quadrats angeordnet sind. Dies ist eine einfache Anordnung, so daß es sich leicht mit einem der genannten Verfahren in die Führungsfläche 23 einbringen läßt. Es kann auch vorgesehen sein, daß die Schmierdepots 27 nicht auf den Ecken eines Quadrats, sondern eines beliebigen Rechtecks angeordnet sind, so daß der Abstand der Schmierdepots 27 voneinander in Längs- und Tangentialrichtung verschieden ist.

Figur 5 zeigt ein weiteres Anordnungsbeispiel der Schmierdepots 27 auf der Führungsfläche 23 des Ventilglieds 7. Die die Schmierdepots 27 bildenden Ausnehmungen bilden ein hexagonales Muster, bei der je eine Ausnehmung in der Mitte von je sechs Ausnehmungen angeordnet ist, die die Ecken eines gleichseitigen, regelmäßigen Sechsecks bilden. Diese Anordnung ist die dichtest mögliche Anordnung von Ausnehmungen und ermöglicht es, bei gegebenem Abstand der Ausnehmungen voneinander die maximal mögliche Zahl von Ausnehmungen pro Flächeneinheit auf der Fuhrungsflache 23 auszubilden.

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraf maschinen arbeitet in folgender Weise: Während der Einspritzpausen wird das Ventilglied 7 mittels einer nicht näher gezeigten Ventilfeder mit seiner Ventildichtfläche 9 dichtend in Anlage am Ventilsitz 11 gehalten, so daß der Kraftstoffdurchtritt vom Druckraum 17 zur Einspritzöffnung 13 verschlossen ist. Soll eine Kraftstoffeinspritzung am Einspritzventil erfolgen, wird unter hohem Druck stehender Kraftstoff von der nicht gezeigten Kraftstoffhochdruckquelle über den Hochdi-uckkanal 19 in den Druckraum 17 zugeführt, wo er über die Druckschulter 15 in Öff ungsrichtung am Ventil - glied 7 angreift. Mach Erreichen des notwendigen Öffnungs- drucks übersteigt diese an der Druckschulter 15 angreifende hydraulische Öffnungskraft die Rückstellkraft der Ventilfeder und das Ventilglied 7 wird entgegen der Schließkraft der Ventilfeder von seinem Ventilsitz 11 abgehoben. Dabei strömt der unter 'hohem Druck stehende Kraftstoff aus dem Druckraum 17 über den Ringspalt 21 und den nunmehr aufgesteuerten Querschnitt zwischen Ventildichtfläche 9 und Ventilsitz 11 zu den Einspritzöffnungen 13 und gelangt über diese zur Einspritzung in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine. Die Einspritzung wird beendet, indem die Kraf stoff- zufuhr in den Druckraum 17 beendet wird, so daß der Kraft - stoffhochdruck dort unter den Schließdruck der Ventilfeder absinkt und das Ventilglied 7 von der Ventilfeder erneut zurück in Anlage an den Ventilsitz 11 verschoben wird. Dabei dichtet die Ventildichtfläche 9 den Durchtrittsquerschnitt zur Einspritzöffnung 13 wieder am Ventilsitz 11 ab, so daß kein weiterer Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Claims

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Bohrung (5) eines Ventilkörpers (1) axial verschiebbar geführten Ventilglied (7), das den Kraftstoffdurchtritt durch wenigstens eine Einspritzöffnung (13) steuert, und mit einer am Ventilglied (7) ausgebildeten Führungsfläche (23), mit der das Ventilglied (7)^' gleitverschiebbar in der Bohrung (5) geführt wird, wobei in der Führungsfläche (23) des Ventilgliedes (7) eine Vielzahl von Ausnehmungen (27) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen als Schmierdepots

(27) ausgebildet sind, die einen Durchmesser von weniger als 80 μm und eine Tiefe von weniger' als 20 μm aufweisen.

2. Kraftstoffeinspritzλ'-entil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierdepots (27) regelmäßig in einem rechteckigen Muster über den Umfang des Ventilglieds (7) verteilt angeordnet sind.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch* 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierdepots (27) regelmäßig in einem hexagonalen Muster über den Umfang des Ventilglieds (7) verteilt angeordnet sind.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierdepots (27) einen Abstand voneinander haben, der zumindest näherungsweise ihrem Durchmesser entspricht.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierdepots (27) eine kreisrunde Form aufweisen. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierdepots (27) eine ovale Form aufweisen.