WO2004001219A1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen - Google Patents

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WO2004001219A1
WO2004001219A1 PCT/DE2003/000991 DE0300991W WO2004001219A1 WO 2004001219 A1 WO2004001219 A1 WO 2004001219A1 DE 0300991 W DE0300991 W DE 0300991W WO 2004001219 A1 WO2004001219 A1 WO 2004001219A1
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valve
needle
hollow
combustion chamber
valve needle
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Thomas Kuegler
Predrag Nunic
Detlev Potz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
SANDER-POTZ, Maike
Potz, Wendelin
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    • F02M2200/46—Valves, e.g. injectors, with concentric valve bodies

Definitions

  • the invention is based on a fuel injection valve for an internal combustion engine, as it corresponds to the preamble of claim 1.
  • a fuel injection valve for an internal combustion engine, as it corresponds to the preamble of claim 1.
  • a fuel injection valve is known, for example, from the published patent application DE 27 11 391 and has a valve body, in which a hollow valve needle is arranged to be longitudinally displaceable in a bore.
  • the valve hollow needle has a conical valve sealing surface on its combustion chamber end, with which it interacts with a conical valve seat which forms the combustion chamber end of the bore.
  • a valve needle is arranged to be longitudinally displaceable, which likewise has a conical valve contact surface and interacts with the valve seat.
  • Both the hollow valve needle and the valve needle control the fuel flow to at least one injection opening, through which fuel is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a fuel injection valve is known from the published patent application DE 27 11 390, in which the hollow valve needle has no flattening but tapers out sharply. Although this reduces the dead volume and thus has a favorable effect on the hydrocarbon emissions of the internal combustion engine, there is the disadvantage here that the inner needle can easily jam in the outer needle. Due to the fact that the hollow valve needle rests on the conical valve seat, the hollow valve needle is slightly deformed radially inwards, so that the already very small annular gap between the valve needle and the hollow valve needle is further reduced. This can lead to increased wear between these two components which are slidably mounted against one another, which leads to a reduction in the service life of the fuel injector.
  • the fuel injection valve according to the invention with the characterizing features of patent claim 1 has the advantage over the prior art that clamping of the valve needle in the hollow valve needle is effectively prevented while at the same time reducing hydrocarbon emissions from the fuel injection valve.
  • the hollow valve needle has a chamfer at its tip, which preferably adjoins the conical valve sealing surface directly. Since the outermost valve tip is no longer directly influenced by the force that is generated by pressing the hollow valve needle against the conical valve seat, the valve hollow needle is deformed to a significantly lesser extent, and this causes jamming or excessive wear on the loading - prevents movement of the valve needle in the hollow valve needle.
  • the volume between the hollow valve needle, the valve needle and the valve seat, when both the valve needle and the hollow valve needle rest against the valve seat remains so small that there is no significant increase in the hydrocarbon emissions of the internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a valve body in longitudinal section
  • FIG. 2 shows an enlargement of FIG. 1 in the area of the valve seat, the valve hollow needle being shown in section
  • L5 shows an embodiment of the fuel injection valve according to the invention
  • FIG. 3 shows the same detail as FIG. 2, the hollow valve needle being shown uncut here.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a fuel injection valve according to the invention.
  • a bore 3 is formed in a valve body 1, and a conical valve seat 18 is formed at the end on the combustion chamber side.
  • a piston-shaped hollow valve needle 5 is arranged to be longitudinally displaceable.
  • the hollow valve needle 5 is sealingly guided in the section 3 facing away from the combustion chamber and tapers towards the valve seat 18 to form a pressure shoulder 14.
  • the hollow valve needle 5 has a conical valve sealing surface 24, which in the closed position of the hollow valve needle 5 on the valve seat 18 comes to the plant.
  • a pressure chamber 10 is formed between the hollow valve needle 5 and the wall of the bore 3 and is radially expanded at the level of the 5 pressure shoulder 14. In the radial expansion of the pressure chamber 10 opens a valve body 1 formed inlet channel 12, through which the pressure chamber 10 can be filled with fuel under high pressure.
  • the hollow valve needle 5 has a longitudinal bore 6, the longitudinal axis of which coincides with the longitudinal axis 8 of the hollow valve needle 5.
  • a valve needle 7 is arranged to be longitudinally displaceable, which has a conical valve contact surface 26 at its end on the combustion chamber side, which also comes into contact with the valve seat 18 in the closed position of the valve needle 7.
  • a first guide section 16 facing away from the combustion chamber and a second guide section 17 facing towards the combustion chamber are formed on the valve needle 7, in which it is guided relatively closely in the hollow valve needle 5.
  • the play between the second guide section 17 and the wall of the longitudinal bore 6 is very small, preferably less than 10 ⁇ m.
  • a relatively large annular gap is formed between these two guide sections 16, 17 between the valve needle 7 and the wall of the longitudinal bore 6, so that the valve needle 7 is actually only guided on the two guide sections 16, 17.
  • FIG. 2 shows an enlargement of FIG. 1 in the area of the valve seat 18 and FIG. 3 shows the same detail as FIG. 2, the hollow valve needle 5 not being shown here in section.
  • the hollow valve needle 5 bears against the valve seat 18, the valve sealing surface 24 closing the outer injection openings 20.
  • the valve needle 7 likewise closes the inner injection openings 22 with its valve contact surface 26.
  • annular groove 32 is formed on the valve needle 7, which is delimited on the one hand by the cylindrical section of the valve needle 7 and on the other hand by the valve contact surface 26 Annular groove 32 results in a contact surface for the fuel pressure of the pressure chamber 10 when the pressure acts on the valve needle 7.
  • Both the hollow valve needle 5 and the valve needle 7 are acted upon by a device (not shown in the drawing), for example a spring, with a closing force in the direction of the valve seat 18, so that they remain in their closed position in the absence of additional forces.
  • a device for example a spring
  • valve needle 7 initially remains in its closed position until the hydraulic pressure now acting on the pressure shoulder, which is formed by the annular groove 32, is sufficient to overcome the closing force on the valve needle 7. If the valve needle 7 also moves out of its closed position, fuel is injected in addition to the outer injection openings 20 also through the inner injection openings 22. If, on the other hand, injection is to take place only through the outer injection openings 20, the closing force is applied to the valve needle 7 held so high that it does not move out of its closed position due to the hydraulic pressure. In this way, only a part of the total injection cross section or the entire injection cross section can be controlled for the injection of fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • Embodiment At the end of the hollow valve needle 5 on the combustion chamber side, in addition to the valve sealing surface 24, which comes into contact with the valve seat 18 in the closed position of the hollow valve needle 5 Embodiment another conical surface 124 formed, which borders on the valve sealing surface 24 and extends to the cylindrical region of the hollow valve needle 5.
  • the cone forming the conical surface of the chamfer 30, however, has a larger opening angle than the valve sealing surface 24.
  • the chamfer 30, prevents the hollow valve needle 5 from experiencing a radially inwardly directed force on its combustion-side end due to its contact with the conical valve seat 18, whereby the valve needle 7 can become jammed in the hollow valve needle 5.
  • the valve hollow needle 5 has a sufficient wall thickness in the area of the valve sealing surface 24, so that the closing force on the valve hollow needle 5 results in only a very slight deformation in the radial direction and the valve needle 7 maintains sufficient mobility in the longitudinal bore 6.
  • the chamfer 30 also ensures that the space between the hollow valve needle 7, the valve needle 5 and the valve seat 18 does not become too large.
  • valve sealing surface 24 Since the angles of inclination of the valve sealing surface 24, the valve contact surface 26 and the valve seat 18 are optimized so that a sealing of the injection openings 20, 22 against the pressure chamber 10 is ensured, it can happen that fuel from the valve seat 18 and the valve needles 5, 7 formed cavity in the injection breaks through the injection openings 20, 22 in the combustion chamber of the internal combustion engine and there leads to increased hydrocarbon emissions. This volume can be minimized by an appropriate angle of inclination of the chamfers 30 without impairing the wear reduction.

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Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem in einer Bohrung (3) eine Ventilhohlnadel (5) längsverschiebbar angeordnet ist. Die Ventilhohlnadel (5) weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine konische Ventildichtfläche (24) auf, die mit einem am brennraumseitigen Ende der Bohrung (3) angeordneten konischen Ventilsitz (18) zusammenwirkt. In der Ventilhohlnadel (5) ist eine Längsbohrung (6) ausgebildet, in der eine Ventilnadel (7) angeordnet ist, die mit einer an ihrem brennraumseitigen Ende ausgebildeten Ventilanlagefläche (26) ebenfalls mit dem Ventilsitz (18) zusammenwirkt. Die brennraumseitige Spitze der Ventilhohlnadel (5) ist durch eine Anfasung (30) gebildet.

Description

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschine aus, wie es dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entspricht. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzven- til ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 27 11 391 bekannt und weist einen Ventilkörper auf, i dem in einer Bohrung eine Ventilhohlnadel längsverschiebbar angeordnet ist. Die Ventilhohlnadel weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine konische Ventildichtfläche auf, mit der sie mit einem konischen Ventilsitz zusammenwirkt, der das brennraumseitige Ende der Bohrung bildet. In der Ventilhohlnadel ist eine Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet, die ebenfalls eine konische Ventilanlagefläche aufweist und mit dem Ventilsitz zusammenwirkt. Sowohl die Ventilhohlnadel, als auch die Ventilnadel steuern den Kraftstofffluss zu jeweils wenigstens einer Einspritzöffnung, durch die Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Bei dem bekannten Kraf stoffeinspritzventil aus der DE 27 11 391 ist die Spitze der Ventilhohlnadel abgeflacht, so dass eine Stirnfläche gebildet wird, die in einer Radial- ebene der Ventilhohlnadel liegt. Diese Ventilnadel weist hierbei jedoch den Nachteil auf, dass sich zwischen der Ven- tilhohlnadel, der Ventilnadel und dem Ventilsitz ein relativ großes Totvolumen bildet, was sich ungünstig auf die Kohlenwasserstoff-Emissionen des Kraftstoffeinspritzventils auswirkt .
Darüber hinaus ist aus der Offenlegungsschrift DE 27 11 390 ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem die Ventilhohlnadel keine Abflachung aufweist, sondern spitz ausläuft. Dies verringert zwar das Totvolumen und wirkt sich damit günstig auf die Kohlenwasserstoff-Emissionen der Brennkraftmaschine aus, jedoch ergibt sich hier der Nachteil, dass die Innennadel leicht in der Außennadel klemmen kann. Durch die Anlage der Ventilhohlnadel am konischen Ventilsitz kommt es zu einem leichten Verformen der Ventilhohlnadel radial nach innen, so dass sich der ohnehin nur sehr kleine Ringspalt zwischen der Ventilnadel und der Ventilhohlnadel weiter verringert. Dadurch kann es zu einem erhöhten Verschleiß zwischen diesen beiden gleitverschiebbar gegeneinander gelagerten Bauteilen kommen, was zu einer Verminderung der Lebens- dauer des Kraftstoffeinspritzventil führt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kenn- zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Klemmen der Ventilnadel in der Ventilhohlnadel wirksam unterbunden wird bei gleichzeitig verminderten Kohlenwasserstoff-Emissionen des Kraftstoffeinspritzventils . Hierzu weist die Ventilhohlnadel an ihrer Spitze eine Anfasung auf, die sich vorzugsweise direkt an die konische Ventildichtfläche anschließt. Da die äußerste Ventilspitze nun nicht mehr direkt von der Kraft, die durch das Anpressen der Ventilhohlnadel am konischen Ventilsitz erzeugt wird, beeinflusst wird, ergibt sich eine deut- lieh geringere Einformung der Ventilhohlnadel, und damit wird ein Klemmen oder ein übermäßiger Verschleiß bei der Be- wegung der Ventilnadel in der Ventilhohlnadel verhindert. Gleichzeitig bleibt das Volumen zwischen der Ventilhohlnadel, der Ventilnadel und dem Ventilsitz, wenn sowohl die Ventilnadel als auch die Ventilhohlnadel am Ventilsitz an- 5 liegen, so gering, dass es zu keinem bedeutenden Anstieg der Kohlenwasserstoff-Emissionen der Brennkraftmaschine kommt.
Zeichnung
L0 In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt Figur 1 einen Ventilkörper im Längsschnitt, Figur 2 eine Vergrößerung von Figur 1 im Bereich des Ventilsitzes, wobei die Ventilhohlnadel ge- L5 schnitten dargestellt ist und
Figur 3 denselben Ausschnitt wie Figur 2, wobei hier die Ventilhohlnadel ungeschnitten gezeigt ist.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
20
In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. In einem Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 3 ausgebildet, an deren brennraumseitigen Ende ein konischer Ventilsitz 18 ausgebildet ist. In der
25 Bohrung 3, die eine Längsachse 8 aufweist, ist eine kolbenförmige Ventilhohlnadel 5 längsverschiebbar angeordnet. Die Ventilhohlnadel 5 wird in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung 3 dichtend geführt und verjüngt sich dem Ventilsitz 18 zu unter Bildung einer Druckschulter 14. 0 An ihrem brennraumseitigen Ende weist die Ventilhohlnadel 5 eine konische Ventildichtfläche 24 auf, die in Schließstellung der Ventilhohlnadel 5 am Ventilsitz 18 zur Anlage kommt. Zwischen der Ventilhohlnadel 5 und der Wand der Bohrung 3 ist ein Druckraum 10 ausgebildet, der auf Höhe der 5 Druckschulter 14 radial erweitert ist. In die radiale Erweiterung des Druckraums 10 mündet ein im Ventilkörper 1 ausge- bildeter Zulaufkanal 12, über den der Druckraum 10 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann.
Die Ventilhohlnadel 5 weist eine Längsbohrung 6 auf, deren Längsachse mit der Längsachse 8 der Ventilhohlnadel 5 zusammenfällt. In der Längsbohrung 6 ist eine Ventilnadel 7 längsverschiebbar angeordnet, die an ihrem brennraumseitigen Ende eine konische Ventilanlagefläche 26 aufweist, die in Schließstellung der Ventilnadel 7 ebenfalls am Ventilsitz 18 zur Anlage kommt. An der Ventilnadel 7 ist ein brennraumab- gewandter, erster Führungsabschnitt 16 und ein brennraumzu- gewandter, zweiter Führungsabschnitt 17 ausgebildet, in denen sie relativ eng in der Ventilhohlnadel 5 geführt ist. Das Spiel zwischen dem zweiten Führungsabschnitt 17 und der Wand der Längsbohrung 6 ist dabei sehr gering, vorzugsweise weniger als 10 μm. Zwischen diesen beiden Führungsabschnitten 16, 17 ist ein relativ großer Ringspalt zwischen der Ventilnadel 7 und der Wand der Längsbohrung 6 ausgebildet, so dass die Ventilnadel 7 nur an den beiden Führungsab- schnitten 16, 17 tatsächlich geführt wird.
Ausgehend vom Ventilsitz 18 sind im Ventilkörper 1 äußere Einspritzöffnungen 20 und innere Einspritzöffnungen 22 ausgebildet, von denen vorzugsweise mehrere über den Umfang des Ventilkörpers 1 verteilt angeordnet sind. Figur 2 zeigt hierzu eine Vergrößerung von Figur 1 im Bereich des Ventilsitzes 18 und Figur 3 nochmals denselben Ausschnitt wie Figur 2, wobei die Ventilhohlnadel 5 hier nicht geschnitten dargestellt ist. Die Ventilhohlnadel 5 liegt in ihrer Schließstellung am Ventilsitz 18 an, wobei die Ventildichtfläche 24 die äußeren Einspritzöffnungen 20 verschließt. E- benso verschließt die Ventilnadel 7 mit ihrer Ventilanlagefläche 26 die inneren Einspritzöffnungen 22. An der Ventilnadel 7 ist eine Ringnut 32 ausgebildet, die einerseits vom zylindrischen Abschnitt der Ventilnadel 7 begrenzt wird und andererseits von der Ventilanlagefläche 26. Durch diese Ringnut 32 ergibt sich eine Angriffsfläche für den Kraftstoffdruck des Druckraums 10, wenn der Druck die Ventilnadel 7 beaufschlagt.
Sowohl die Ventilhohlnadel 5 als auch die Ventilnadel 7 werden von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Vorrichtung, beispielsweise einer Feder, mit einer Schließkraft in Richtung des Ventilsitzes 18 beaufschlagt, so dass sie bei Fehlen weiterer Kräfte in ihrer Schließstellung bleiben. Durch Einleitung von Kraftstoff unter entsprechendem Einspritzdruck in den Druckraum 10 des Ventilkörpers 1 ergibt sich eine hydraulische Kraft auf die Druckschulter 14, die der Schließkraft auf die Ventilhohlnadel 5 entgegengerichtet ist. Übersteigt diese hydraulische Kraft die Schließkraft, so hebt die Ventilhohlnadel 5 vom Ventilsitz 18 ab und gibt die äußeren Einspritzöffnungen 20 frei, durch welche Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die Ventilnadel 7 verbleibt vorerst in ihrer Schließstellung, bis der jetzt wirkende hydraulischen Druck auf die Druckschulter, die durch die Ringnut 32 gebildet wird, ausreicht, die Schließkraft auf die Ventilnadel 7 zu überwinden. Bewegt sich auch die Ventilnadel 7 aus ihrer Schließstellung, so erfolgt die Einspritzung von Kraftstoff zusätzlich zu den äußeren Einspritzöffnungen 20 auch durch die in- neren Einspritzöffnungen 22. Soll hingegen nur durch die äußeren Einspritzöffnungen 20 eingespritzt werden, so wird die Schließkraft auf die Ventilnadel 7 so hoch gehalten, dass sie sich durch den hydraulischen Druck nicht aus ihrer Schließstellung bewegt. Auf diese Weise lässt sich für die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine nur ein Teil des gesamten Einspritzquerschnitts o- der der gesamte Einspritzquerschnitt aufsteuern.
Am brennraumseitigen Ende der Ventilhohlnadel 5 ist neben der Ventildichtfläche 24, die am Ventilsitz 18 in Schließstellung der Ventilhohlnadel 5 zur Anlage kommt, in diesem Ausführungsbeispiel eine weitere Konusfläche 124 ausgebildet, die an die Ventildichtfläche 24 grenzt und bis zum zylindrischen Bereich der Ventilhohlnadel 5 reicht. An die Ventildichtfläche 24 schließt sich zum Ventilsitz 18 hin ei- ne Anfasung 30 an, die eine Konusfläche bildet. Dadurch ist die Anfasung 30 gegenüber der Radialebene der Längsachse 8 geneigt. Der die Konusfläche der Anfasung 30 bildende Kegel weist jedoch einen größeren Öffnungswinkel auf als die Ventildichtfläche 24. Die Anfasung 30 verhindert zum einen, dass die Ventilhohlnadel 5 durch ihre Anlage am konischen Ventilsitz 18 eine radial nach innen gerichtete Kraft auf ihr brennrau seitiges Ende erfährt, wodurch es zu einem Klemmen der Ventilnadel 7 in der Ventilhohlnadel 5 kommen kann. Die Ventilhohlnadel 5 weist im Bereich der Ventil- dichtfläche 24 jedoch eine ausreichende Wandstärke auf, so dass es durch die Schließkraft auf die Ventilhohlnadel 5 nur zu einer sehr geringen Einformung in radialer Richtung kommt und die Ventilnadel 7 eine ausreichende Beweglichkeit in der Längsbohrung 6 behält. Durch die Anfasung 30 ist im Gegen- satz zu einer Abflachung aber auch sichergestellt, dass der Raum zwischen der Ventilhohlnadel 7, der Ventilnadel 5 und dem Ventilsitz 18 nicht zu groß wird. Da die Neigungswinkel der Ventildichtfläche 24, der Ventilanlagefläche 26 und des Ventilsitzes 18 so optimiert sind, dass eine Abdichtung der Einspritzöffnungen 20, 22 gegen den Druckraum 10 sichergestellt ist, kann es vorkommen, dass Kraftstoff aus dem zwischen dem Ventilsitz 18 und den Ventilnadeln 5, 7 gebildeten Hohlraum in den Einspritzpausen durch die Einspritzöffnungen 20, 22 in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt und dort zu erhöhten Kohlenwasserstoff-Emissionen führt. Durch einen entsprechenden Neigungswinkel der Anfasungen 30 lässt sich dieses Volumen minimieren, ohne die Verschleißminderung zu beeinträchtigen.

Claims

Ansprüche
1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1) , in dem in einer Bohrung (3) eine Ventilhohlnadel (5) längsverschiebbar angeordnet ist, welche an ihrem brennraumseitigen Ende eine konische Ven- tildichtflache (24) aufweist, die mit einem am brennraumseitigen Ende der Bohrung (3) angeordneten konischen Ventilsitz (18) zusammenwirkt, und mit einer in der Ventilhohlnadel (5) ausgebildeten Längsbohrung (6), in der eine Ventilnadel (7) angeordnet ist, die mit einer an ihrem brennraumseitigen Ende ausgebildeten Ventilanlageflachte
(26) ebenfalls mit dem Ventilsitz (18) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass an der brennraumseitigen Spitze der Ventilhohlnadel (5) eine Anfasung (30) gebildet ist.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfasung (30) der Ventilhohlnadel (5) eine konische Fläche bildet, die sich direkt an die konische Ventildichtfläche (24) anschließt.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfasung (30) an ihrem brennraumseitigen inneren Rand direkt an die Innenmantelfläche der Längsbohrung (6) der Ventilhohlnadel (5) grenzt.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (7) in ihrem brennraumseitigen Endbereich mit geringem Spiel in der Ventilhohlnadel (5) geführt wird.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel weniger als 10 μm beträgt.
PCT/DE2003/000991 2002-06-19 2003-03-26 Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen WO2004001219A1 (de)

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