WO2005068816A2 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten, insbesondere kraftstoffeinspritzventil - Google Patents

Ventil zum steuern von flüssigkeiten, insbesondere kraftstoffeinspritzventil Download PDF

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Peter Boehland
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M45/00—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship
    • F02M45/02—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
    • F02M45/04—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts with a small initial part, e.g. initial part for partial load and initial and main part for full load
    • F02M45/08—Injectors peculiar thereto
    • F02M45/086—Having more than one injection-valve controlling discharge orifices
    • 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
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • 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
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/46—Valves, e.g. injectors, with concentric valve bodies

Definitions

  • Valve for controlling liquids in particular fuel injection valve
  • the invention relates to a valve for controlling liquids, in particular a fuel injection valve for internal combustion engines according to the kind defined in the preamble of claim 1.
  • valves When using such valves in a common rail system as a common rail injector, an injection start, an injection duration and an injection quantity are set via force relationships in the valves.
  • the valves are preferably controlled either by an actuator which is arranged in the end of the valves facing away from the combustion chamber, or as a function of a force ratio applied to a valve needle, which is dependent on a pressure applied and on the Valve needle attacking spring force depending on the operating condition.
  • a fuel injection valve in which an injection nozzle is designed with two valve needles, which can be controlled independently of one another.
  • the second injector is opened by lowering the pressure of a hydraulic fluid in a control chamber of the fuel injector.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a valve for controlling liquids, in particular a fuel injection valve for internal combustion engines, in which an undesirably high rise the hydraulic forces acting on the valve needle in the opening direction are avoided.
  • valve the valve needle is designed in a region connected to the fuel chamber with a pressure compensation surface which is acted upon with fuel supplied under high pressure into the fuel chamber when the sealing seat is open.
  • valve designed according to the invention which is preferably designed as a stroke-controlled valve
  • the valve needle having an actuator to control directly, which can be dimensioned smaller in comparison to a conventionally designed valve in terms of its performance, since lower forces have to be overcome by the actuator to close the valve.
  • valve according to the invention is designed as a pressure-controlled valve
  • the hydraulic forces acting on the valve needle in the opening direction of the sealing seat and reduced in comparison to conventional valves advantageously shorten a closing process of the valve in comparison to valves known from the prior art in such a way that a closing time is precisely adjustable and a precise injection quantity can be applied into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a partial longitudinal section through a first embodiment of a valve designed according to the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of a valve for controlling liquids, which is designed with two sealing seats
  • 3 shows a development of the valve shown in Figure 2
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of a valve designed according to the invention, the valve being designed with two valve needles, which are each designed with a pressure compensation surface and a pressure compensation piston assigned to this pressure compensation surface
  • FIG. 5 is a development of the valve shown in FIG. 4, the pressure compensation piston of the valve outer needles and the valve inner needle being made in one piece.
  • FIG. 1 shows a valve 1 for controlling liquids or a fuel injection valve for internal combustion engines with a valve body 2 and a valve needle 3 arranged in the valve body 2 so as to be longitudinally movable.
  • the valve needle 3 interacts with a sealing seat 4 in such a way that when the valve needle 3 is in contact with the sealing seat 4, a fuel supply area 5 delimited by the valve needle 3 and the valve body 2 by a fuel chamber 6 which is also delimited by the valve body 2 and the valve needle 3 and which Injection openings 7 of the valve body 2 communicates with a combustion chamber, not shown, of an internal combustion engine, are separated.
  • the valve needle 3 is designed in a region 8 connected to the fuel chamber ⁇ with a pressure compensation surface 9 which, when the sealing seat 4 is open, is pressurized with fuel supplied to the fuel chamber 6 under high pressure in such a way that on the valve needle 3 in the region of the pressure compensation surface 9 one in the closing direction of the sealing seat 4 acts force. Furthermore, a pressure compensation piston 10 is provided in the area of the pressure compensation surface 9, on the end face 11 facing the fuel chamber 6, the force acting on the pressure compensation surface 9 in the closing direction of the sealing seat 4 is supported.
  • the pressure compensation piston 10 is arranged in a central bore of the valve needle 3 and is preferably operatively connected to the valve body 2 such that the pressure compensation piston 10 is not moved in the longitudinal direction of the fuel injection valve 1 when high pressure is present.
  • the pressure compensation piston 10 is arranged in the valve body 2 and positioned with respect to the valve needle 3 in such a way that at least part of an end face of the valve needle 3 which can be acted upon by the fuel supplied in the fuel chamber 6 or the region 8 under high pressure, on the when the sealing seat 4 is open due to the high pressure present, a force acting on the valve needle 3 in the opening direction of the sealing seat 4 is shielded from the end face 11 of the pressure compensation piston 10 from the fuel.
  • the pressure compensation surface 9 is designed as a pressure shoulder of the central bore of the valve needle 3, which is designed as a stepped bore in the valve needle 3, wherein the pressure compensation piston 10 is arranged in a part of the step bore which has a larger diameter than the part of the step bore which represents a connecting line between the pressure compensation surface 9 or the area 8 and the fuel chamber 6 outside the valve needle 3.
  • the pressure compensation layer 9 is arranged so close to the sealing seat 4 of the valve body 2 that the pressure acting on the pressure compensation surface 9 corresponds at least approximately to the pressure applied to the sealing seat 4. On the one hand, this ensures that an additional so-called damage volume inside the fuel injection valve 1 is as small as possible and that the hydraulic opening forces applied to the valve needle 3 when the sealing seat 4 of the valve body 2 is open are reduced to the desired extent in comparison with conventional valves.
  • the sealing seat 4 when the sealing seat 4 is closed, the fuel supplied under high pressure lies in the fuel supply area 5 up to the sealing seat 4 on the valve needle 3.
  • the fuel chamber 6, ie based on the fuel supply area 5 on the opposite side of the sealing seat 4 there is a pressure value which corresponds to the pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine and which is established via the injection openings 7 in the fuel chamber 6 with the sealing seat 4 closed. If the sealing seat 4 is opened by lifting the valve needle 3 from the sealing seat 4, the fuel under high pressure in the fuel supply area 5 flows into the fuel chamber 6 and into the area 8 of the valve needle 3, so that the pressure before and after the sealing seat 4 is the same is.
  • a distance between the pressure compensation surface 9 and the sealing seat 4 and a diameter of the connecting line 12 is designed such that a pressure loss when the sealing seat 4 is open between the latter and the pressure compensation surface 9 is so small that the pressure present in the region of the sealing seat 4 is essentially corresponds to the pressure value applied to the pressure compensation surface 9. This ensures that the hydraulic forces applied to the valve needle 3 when the sealing seat 4 is open are not undesirably increased by opening the valve 1.
  • FIG. 2 a second exemplary embodiment of a fuel injection valve 1 designed according to the invention is shown, which is different from that Execution according to Figure 1 with two valve needles 3A and 3B is executed.
  • the valve needles 3A and 3B are arranged coaxially to one another in the valve body 2, the first valve needle 3A being an outer valve needle and the second valve needle 3B being a so-called inner valve needle.
  • the fuel injection valve 1 shown in FIG. 2 differs constructively from the fuel injection valve shown in FIG. 1 in the area shown in that the valve needle 3 of the fuel injection valve 1 according to FIG. 1 differs from an outer valve needle, ie. H. in the present case the outer valve needle 3A is surrounded. Otherwise, the configuration according to the invention of the valve inner needle 3B of the fuel injection valve 1 according to FIG. 2 and its mode of operation corresponds to the function of the valve needle 3 of the valve according to FIG. 1 described above. In addition, the mode of operation of the fuel injection valve 1 according to FIG. 2 corresponds to the valves known from the prior art, which are designed with two valve needles arranged coaxially to one another.
  • the fuel chamber shown in FIG. 1 is divided into two sub-regions by a sealing seat 4B of the valve inner needle 3B, ie into the first fuel chamber 6A and the second fuel chamber 6B, the first fuel chamber 6A in the region of one of the valve outer needle 3A associated sealing seat 4A of the valve body 2 is separated from the fuel supply area 5 of the fuel injection valve 1 when the outer valve needle 3A is applied to the sealing seat 4A of the valve body 2.
  • the valve outer needle 3A is lifted from the sealing seat 4A of the valve body 2 and the fuel which is now fed into the first fuel chamber 6A under high pressure is injected into the combustion chamber via injection openings 7A of the valve body 2.
  • valve inner needle 3B is also lifted from its associated sealing seat 4B of the valve body 2, so that fuel is also introduced into the second fuel chamber 6B, the connecting line 12 and the region 8 under high pressure, and the fuel flowing into the second fuel chamber 6B is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine via injection openings 7B of the valve body 2.
  • a direct comparison of the hydraulic forces acting on the outer valve needle 3A and on the inner valve needle 3B when the sealing seats 4A and 4B are open shows the advantage of the configuration of the inner valve needle 3B according to the invention, since the hydraulic forces acting on the outer valve needle 3A when the sealing seat 4A is open in the opening direction of the sealing seat 4A Forces in comparison to the hydraulic forces acting on valve inner needle 3B when sealing seat 4B is open in the opening direction of sealing seat 4B compared to the state of fuel injector 1 when sealing seats 4A or 4B are closed increases considerably more.
  • valve inner needle 3B is designed with the pressure compensation surface 9, on which the sealing seat 4B is open in the region 8 below High-pressure fuel flowing in is present with a force acting in the closing direction of the sealing seat 4B, which in turn is directed against the force acting on the end face of the valve needle 3B facing the second fuel chamber 6B in the opening direction of the sealing seat 4B.
  • the end face of the valve inner needle 3B facing the second fuel chamber 6B is to be understood as the diameter range of the valve inner needle 3B which corresponds to the diameter of the sealing seat 4B assigned to the valve inner needle 3B, since this end face only leads into the second fuel chamber 6B from under high pressure when the sealing seat 4B is open Fuel is applied.
  • FIG. 3 shows a further development of the fuel injection valve 1 shown in FIG. 2, in which the pressure compensation piston 10 has a pin-shaped extension 13 which engages in the connecting line 12 and fills the central bore of the valve inner needle 3B in which the pressure compensation piston 10 is arranged. In this way, a so-called damage volume inside the fuel injection valve 1 is reduced, which ensures a precise injection process.
  • FIG. 4 A fourth exemplary embodiment of a fuel injection valve designed according to the invention is shown in FIG. 4, this embodiment being a development of the fuel injection valves shown in FIGS. 2 and 3.
  • the valve needles 3A and 3B in the fuel injection valve 1 shown in FIG. 4 each have a region 8A, 8B, with a pressure compensation surface 9A or 9B, with a pressure compensation piston 10A or 10B and the end faces 11A or 11B and with a connecting line 12A, 12B.
  • the pressure compensation piston 10B arranged in the valve inner needle 3B is designed with a pin-shaped extension 13 which is pressed against a receiving surface or a seat surface 14 of the valve body 2, so that the pressure compensation piston 10B of the valve inner needle 3B has a damaged volume both in the area 8 and the connecting line 12 also reduced in the blind hole of the valve body 2 or in the region of the second fuel chamber 6B.
  • the pressure compensation piston 10B is guided or supported by the valve body 2 through the operative connection with the valve body 2 via its end projecting into the second fuel chamber 6B in such a way that the pressure compensation piston 10B can be used as a guide element for the valve inner needle 3B. Referring to FIG.
  • FIG. 5 a fifth exemplary embodiment of a fuel injection valve designed according to the invention is shown, this embodiment representing a development of the fuel injection valve shown in FIG. 4 and differing from the embodiment shown in FIG. 4 in that the pressure compensation piston 10A assigned to the valve outer needle 3A is made in one piece is designed with the valve inner needle 3B and is thus operatively connected to it.
  • This configuration represents an embodiment that is more economical to manufacture in comparison to the fuel injection valve shown in FIG. 4.
  • valve 5 is space-saving with a larger end face that can be exposed to fuel in the opening direction of the valve seat 4B than in the embodiment according to FIG 4 executable, so that when the sealing seat 4A is open, a greater force acting in the opening direction is applied to the valve inner needle 4B than is the case with the valve inner needle 4B according to FIG. 4.

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Abstract

Es wird ein Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Ventilkörper (2) und einer in dem Ventilkörper (2) längsbeweglich angeordneten Ventilnadel (3) beschrieben. Die Ventilnadel (3) wirkt derart mit einem Dichtsitz (4) des Ventilkörpers (2) zusammen, dass bei geschlossenem Dichtsitz (4) ein Kraftstoffzuführbereich (5) von einem Kraftstoffraum (6) getrennt ist, wobei beide von dem Ven­tilkörper (2) und der Ventilnadel (3) begrenzt sind. Die Ventilnadel (3) ist in einem mit dem Kraftstoffraum (6) verbunden Bereich (8) mit einer Druckausgleichsfläche (9) ausgeführt, die bei geöffnetem Dichtsitz (4) mit unter Hochdruck in den Kraftstoffraum (6) zugeführtem Kraftstoff derart beaufschlagt wird, dass im Bereich der Druckausgleichsfläche (9) eine in Schliessrichtung des Dichtsitzes (4) wirkende Kraft angreift. Des Weiteren ist im Bereich der Druckausgleichsfläche (9) ein Druckausgleichskolben (10) vorgesehen ist, an dessen dem Kraftstoffraum zugewandter Stirnfläche (11) sich die an der Druckausgleichsfläche (9) in Schliessrichtung des Dichtsitzes (4) wirkende Kraft abstützt.

Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, Insbesondere Kraftstoffeinspritzventil
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Bei der Verwendung derartiger Ventile in einem Common-Rail- System als Common-Rail-Injektor wird ein Einspritzbeginn, eine Einspritzdauer und eine Einspritzmenge über Kraftverhältnisse in den Ventilen eingestellt. Die Ansteuerung der Ventile erfolgt vorzugsweise entweder über einen Aktuator, der im Bereich eines Brennraum abgewandten Endes der Ventile angeordnet ist, oder in Abhängigkeit eines an einer Ventilnadel anliegenden Kraftverhältnisses, welches sich in Abhängigkeit eines anliegenden Druckes und einer an der Ventilnadel angreifenden Federkraft betriebszustandsabhän- gig einstellt.
Aus der DE 100 58 153 AI ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem eine Einspritzdüse mit zwei Ventilnadeln ausgeführt ist, welche unabhängig voneinander angesteuert werden können. Die zweite Einspritzdüse wird geöffnet, indem der Druck eines Hydraulikfluids in einem Steuerraum des Kraftstoffeinspritzventils abgesenkt wird. Dadurch können Einspritzmenge pro Zeiteinheit und Zerstäubung des Kraftstoffs im Brennraum in weiten Bereichen beeinflusst werden und außerdem kann eine Einspritzverlaufsformung vorgenommen werden.
Die vorbeschriebenen Kraftstoffeinspritzventile weisen alle samt den Nachteil auf, dass während eines Einspritzvorganges durch das Öffnen eines Ventils jeweils ein unerwünscht hoher Anstieg der an der Ventilnadel angreifenden hydraulischen und in Öffnungsrichtung der Ventilnadel wirkenden Dü- sennadelkraft auftritt, die bei einem hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzventil für die Ansteuerung einen unerwünscht groß dimensionierten Aktuator erforderlich macht oder durch die bei einem druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzventil ein für einen präzisen Einspritzvorgang erforderlicher exakter Schließzeitpunkt nur schwer einstellbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen zur Verfügung zu stellen, bei dem ein unerwünscht hoher Anstieg der an der Ventilnadel in Öffnungsrichtung wirkenden hydraulischen Kräfte vermieden wird.
Erfindungsgemäß wir diese Aufgabe mit einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem Ventil die Ventilnadel in einem mit dem Kraftstoffraum verbundenen Bereich mit einer Druckausgleichsflache ausgeführt ist, die bei geöffnetem Dichtsitz mit unter Hochdruck in den Kraftstoffräum zugeführtem Kraftstoff derart beaufschlagt wird, dass an der Ventilnadel im Bereich der Druckausgleichsflache eine in Schließrichtung des Dichtsitzes wirkende Kraft angreift, und dass im Bereich der Druckausgleichsflache ein Druckausgleichskolben vorgesehen ist, an dessen dem Kraftstoffräum zugewandter Stirnfläche sich die an der Druckausgleichsflache in Schließrichtung des Dichtsitzes wirkende Kraft abstützt, hat den Vorteil, dass die bei geöffnetem Dichtsitz in Öffnungsrichtung des Dichtsitzes auf die Ventilnadel wirkenden hydraulischen Kräfte im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Ventilen reduziert ist.
So besteht bei einem erfindungsgemäß ausgeführten Ventil, welches vorzugsweise als hubgesteuertes Ventil ausgeführt ist, die Möglichkeit, die Ventilnadel mit einem Aktuator direkt anzusteuern, der im Vergleich zu einem herkömmlich ausgeführten Ventil in Bezug auf seine Leistungsfähigkeit kleiner dimensioniert werden kann, da von dem Aktuator zum Schließen des Ventils geringere Kräfte überwunden werden müssen.
Ist das erfindungsgemäße Ventil als druckgesteuertes Ventil ausgeführt, wird durch die an der Ventilnadel in Öffnungsrichtung des Dichtsitzes wirkenden und im Vergleich zu herkömmlichen Ventilen reduzierten hydraulischen Kräfte ein Schließvorgang des Ventils vorteilhafterweise im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Ventilen derart verkürzt, dass ein Schließzeitpunkt exakt einstellbar ist und eine präzise Einspritzmenge in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine applizierbar ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen.
Zeichnung
Fünf Ausführungsbeispiele eines Ventils nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei in den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Übersichtlichkeit halber für bau- und funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen Figur 1 einen Teillängsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten Ventils; Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten, welches mit zwei Dichtsitzen ausgeführt ist; Figur 3 eine Weiterbildung des in Figur 2 dargestellten Ventils; Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgeführten Ventils, wobei das Ventil mit zwei Ventilnadeln ausgeführt ist, die jeweils mit einer Druckausgleichsflache und jeweils einem dieser Druckausgleichsflache zugeordneten Druckausgleichskolben ausgeführt sind; und Figur 5 eine Weiterbildung des in Figur 4 dargestellten Ventils, wobei der Druckausgleichskolben der Ventilaußennadeln und die Ventilinnennadel einstückig ausgeführt sind.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Ventil 1 zum Steuern von Flüssigkeiten bzw. ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper 2 und einer in dem Ventilkörper 2 längsbeweglich angeordneten Ventilnadel 3 dargestellt. Die Ventilnadel 3 wirkt derart mit einem Dichtsitz 4 zusammen, dass bei Anlage der Ventilnadel 3 an dem Dichtsitz 4 ein von der Ventilnadel 3 und dem Ventilkörper 2 begrenzter Kraftstoffzuführbereich 5 von einem ebenfalls von dem Ventilkörper 2 und der Ventilnadel 3 begrenzten Kraftstoffraum 6, der über Einspritzöffnungen 7 des Ventilkörpers 2 mit einem nicht näher dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine in Verbindung steht, getrennt sind. Die Ventilnadel 3 ist in einem mit dem Kraftstoffräum β verbundenen Bereich 8 mit einer Druckausgleichsflache 9 ausgeführt, die bei geöffnetem Dichtsitz 4 mit unter Hochdruck in den Kraftstoffraum 6 zugeführtem Kraftstoff derart beaufschlagt wird, dass an der Ventilnadel 3 im Bereich der Druckausgleichsflache 9 eine in Schließrichtung des Dichtsitzes 4 wirkende Kraft angreift. Des Weiteren ist im Bereich der Druckausgleichsflache 9 ein Druckausgleichskolben 10 vorgesehen, an dessen dem Kraftstoffräum 6 zugewandter Stirnfläche 11 sich die an der Druckausgleichsflache 9 in Schließrichtung des Dichtsitzes 4 wirkende Kraft abstützt.
Der Druckausgleichskolben 10 ist in einer mittigen Bohrung der Ventilnadel 3 angeordnet und vorzugsweise derart mit dem Ventilkörper 2 wirkverbunden, dass der Druckausgleichskolben 10 bei anliegendem Hochdruck nicht in Längsrichtung des Kraftstoffeinspritzventils 1 bewegt wird. Darüber hinaus ist der Druckausgleichskolben 10 derart in dem Ventilkörper 2 angeordnet und in Bezug auf die Ventilnadel 3 derart positioniert, dass wenigstens ein Teil einer mit dem in dem Kraftstoffräum 6 bzw. dem Bereich 8 unter Hochdruck zugeführten Kraftstoff beaufschlagbaren Stirnfläche der Ventilnadel 3, an der bei geöffnetem Dichtsitz 4 aufgrund des anliegenden Hochdrucks eine die Ventilnadel 3 in Öffnungsrichtung des Dichtsitzes 4 wirkende Kraft anliegt, von der Stirnfläche 11 des Druckausgleichskolbens 10 gegenüber dem Kraftstoff abgeschirmt ist.
Die Druckausgleichsflache 9 ist vorliegend als eine Druckschulter der als Stufenbohrung in der Ventilnadel 3 ausgeführten zentralen Bohrung der Ventilnadel 3 ausgebildet, wobei der Druckausgleichskolben 10 in einem Teil der Stu- fenbohrung angeordnet ist, der einen größeren Durchmesser aufweist, als der Teil der Stufenbohrung, der eine Verbindungsleitung zwischen der Druckausgleichsflache 9 bzw. dem Bereich 8 und dem Kraftstoffräum 6 außerhalb der Ventilnadel 3 darstellt.
Zusätzlich ist es vorgesehen, dass die Druckausgleichs lache 9 derart nah am Dichtsitz 4 des Ventilkörpers 2 angeordnet ist, dass der auf die Druckausgleichsflache 9 wirkende Druck wenigstens annähernd dem am Dichtsitz 4 anliegenden Druck entspricht. Damit wird einerseits erreicht, dass ein zusätzliches so genanntes Schadvolumen im Inneren des Kraftstoffeinspritzventils 1 möglichst gering ist und die bei geöffnetem Dichtsitz 4 des Ventilkörpers 2 an der Ventilnadel 3 anliegenden hydraulischen Öffnungskräfte in erwünschtem Umfang im Vergleich zu herkömmlichen Ventilen reduziert werden.
Bei der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kraftstoffeinspritzventils 1 liegt bei geschlossenem Dichtsitz 4 der unter Hochdruck zugeführte Kraftstoff in dem Kraftstoffzuführbereich 5 bis zum Dichtsitz 4 an der Ventilnadel 3 an. Im Kraftstoffräum 6, d. h. bezogen auf den Kraftstoffzuführbereich 5 auf der gegenüberliegenden Seite des Dichtsitzes 4, liegt ein dem Druck im Brennraum der Brennkraftmaschine entsprechender Druckwert vor, der sich über die Einspritzöffnungen 7 im Kraftstoffraum 6 bei geschlossenem Dichtsitz 4 einstellt. Wird der Dichtsitz 4 durch ein Abheben der Ventilnadel 3 von dem Dichtsitz 4 geöffnet, strömt der im Kraftstoffzuführbereich 5 unter Hochdruck stehende Kraftstoff in den Kraftstoffraum 6 sowie in den Bereich 8 der Ventilnadel 3 ein, so dass der Druck vor und nach dem Dichtsitz 4 gleich ist. Aufgrund der Druckausgleichsflache 9 der Ventilnadel 3 im Bereich 8 und der Anordnung des Druckausgleichskolbens 10 werden die an der Ventilnadel 3 angreifenden hydraulischen Kräfte bei geöffnetem Dichtsitz 4 im Vergleich zu einem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1 bei geschlossenem Dichtsitz 4 nicht bzw. nur in einem derart geringen Umfang erhöht, dass die von einer Aktuatorik des Kraftstoffeinspritzventils 1 zum Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 1 aufzubringenden Steuerkräfte im Vergleich zu herkömmlich ausgeführten Ventilen geringer sind.
Des Weiteren ist ein Abstand zwischen der Druckausgleichsflache 9 und dem Dichtsitz 4 sowie ein Durchmesser der Verbindungsleitung 12 derart ausgeführt, dass ein Druckverlust bei geöffnetem Dichtsitz 4 zwischen diesem und der Druckausgleichsflache 9 derart gering ist, dass der im Bereich des Dichtsitzes 4 vorliegende Druck im Wesentlichen dem an der Druckausgleichsflache 9 anliegenden Druckwert entspricht. Damit ist gewährleistet, dass die an der Ventilnadel 3 bei geöffnetem Dichtsitz 4 anliegenden hydraulischen Kräfte durch das Öffnen des Ventils 1 nicht in unerwünschter Art und Weise erhöht werden.
Bezug nehmend auf Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgeführten Kraftstoffeinspritzventils 1 dargestellt, welches im Unterschied zu der Ausführung gemäß Figur 1 mit zwei Ventilnadeln 3A und 3B ausgeführt ist. Die Ventilnadeln 3A und 3B sind koaxial zueinander im Ventilkörper 2 angeordnet, wobei die erste Ventilnadel 3A eine Ventilaußennadel und die zweite Ventilnadel 3B eine so genannte Ventilinnennadel darstellt.
Das in Figur 2 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil 1 unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzventil in dem dargestellten Bereich konstruktiv dadurch, dass die Ventilnadel 3 des Kraftstoffein- spritzventils 1 gemäß Figur 1 von einer Außenventilnadel, d. h. vorliegend der Außenventilnadel 3A, umgeben ist. Ansonsten entspricht die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ventilinnennadel 3B des Kraftstoffeinspritzventils 1 gemäß Figur 2 und deren Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Funktion der Ventilnadel 3 des Ventils gemäß Figur 1. Darüber hinaus entspricht die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils 1 gemäß Figur 2 den aus dem Stand der Technik bekannten Ventilen, die mit zwei koaxial zueinander angeordneten Ventilnadeln ausgeführt sind.
Bei dem in Figur 2 dargestellten Kraftstoffeinspritzventil 1 ist der in Figur 1 dargestellte Kraftstoffraum durch einen Dichtsitz 4B der Ventilinnennadel 3B in zwei Teilbereiche, d. h. in den ersten Kraftstoffräum 6A und den zweiten Kraftstoffraum 6B unterteilt, wobei der erste Kraftstoffraum 6A im Bereich eines der Ventilaußennadel 3A zugeordneten Dichtsitzes 4A des Ventilkörpers 2 von dem Kraftstoffzuführbereich 5 des Kraftstoffeinspritzventils 1 bei anliegender Ventilaußennadel 3A an dem Dichtsitz 4A des Ventilkörpers 2 getrennt ist. Bei entsprechender Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils 1 wird die Ventilaußennadel 3A von dem Dichtsitz 4A des Ventilkörpers 2 abgehoben und der nunmehr in den ersten Kraftstoffraum 6A unter Hochdruck zugeführte Kraftstoff wird über Einspritzöffnungen 7A des Ventilkörpers 2 in den Brennraum eingespritzt. Bei weiterer Ansteuerung wird auch die Ventilinnennadel 3B von ihrem zugeordneten Dichtsitz 4B des Ventilkörpers 2 abgehoben, so dass auch in den zweiten Kraftstoffraum 6B, die Verbindungsleitung 12 und den Bereich 8 Kraftstoff unter Hochdruck eingeleitet wird, wobei und der in den zweiten Kraftstoffräum 6B einströmende Kraftstoff über Einspritzöffnungen 7B des Ventilkörpers 2 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Bei direktem Vergleich der an der Ventilaußennadel 3A und an der Ventilinnenadel 3B bei geöffneten Dichtsitzen 4A und 4B angreifenden hydraulischen Kräfte wird der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Ventilinnennadel 3B deutlich, da die an der Ventilaußennadel 3A bei geöffnetem Dichtsitz 4A in Öffnungsrichtung des Dichtsitzes 4A angreifenden hydraulischen Kräfte im Vergleich zu den an der Ventilinnennadel 3B bei geöffnetem Dichtsitz 4B in Öffnungsrichtung des Dichtsitzes 4B wirkenden hydraulischen Kräfte gegenüber dem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1 bei geschlossenen Dichtsitzen 4A bzw. 4B erheblich stärker ansteigt.
Dies resultiert aus der Tatsache, dass die Ventilinnennadel 3B mit der Druckausgleichsflache 9 ausgeführt ist, an dem der bei geöffnetem Dichtsitz 4B in dem Bereich 8 unter Hochdruck einströmende Kraftstoff eine in Schließrichtung des Dichtsitzes 4B wirkende Kraft anliegt, die wiederum der an der dem zweiten Kraftstoffraum 6B zugewandten Stirnfläche der Ventilnadel 3B in Öffnungsrichtung des Dichtsitzes 4B wirkenden Kraft entgegengerichtet ist.
Vorliegend ist unter der dem zweiten Kraftstoffräum 6B zugewandten Stirnfläche der Ventilinnennadel 3B der Durchmesserbereich der Ventilinnennadel 3B zu verstehen, der dem Durchmesser des der Ventilinnennadel 3B zugeordneten Dichtsitz 4B entspricht, da diese Stirnfläche erst bei geöffnetem Dichtsitz 4B von unter Hochdruck in den zweiten Kraftstoffräum 6B zugeführten Kraftstoff beaufschlagt wird.
In Figur 3 ist eine Weiterbildung des in Figur 2 dargestellten Kraftstoffeinspritzventils 1 gezeigt, bei der der Druckausgleichskolben 10 einen in die Verbindungsleitung 12 eingreifenden stiftförmigen Fortsatz 13 aufweist und die mittige Bohrung der Ventilinnennadel 3B, in welcher der Druckausgleichskolben 10 angeordnet ist, ausfüllt. Damit wird ein so genanntes Schadvolumen im Inneren des Kraftstoffeinspritzventils 1 reduziert, wodurch ein präziser Einspritzvorgang gewährleistet ist.
Ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgeführten Kraftstoffeinspritzventils ist in Figur 4 dargestellt, wobei diese Ausführungsform eine Weiterbildung der in Figur 2 und Figur 3 dargestellten Kraftstoffeinspritz- ventile ist. Die Ventilnadeln 3A und 3B sind bei dem in Figur 4 dargestellten Kraftstoffeinspritzventil 1 jeweils mit einem Bereich 8A, 8B, mit einer Druckausgleichsflache 9A bzw. 9B, mit einem Druckausgleichskolben 10A bzw. 10B und den Stirnflächen 11A bzw. 11B sowie mit einer Verbindungsleitung 12A, 12B ausgeführt. Damit wird erreicht, dass sich sowohl beim Öffnen des mit der Ventilaußennadel 3A zusammenwirkenden Dichtsitzes 4A die an der Ventilaußennadel 3A wirkenden hydraulischen Kräfte als auch beim Öffnen des der Ventilinnennadel 3B zugeordneten Dichtsitzes 4B die an der Ventilinnennadel 3B angreifenden und in Öffnungsrichtung des Dichtsitzes 4B wirkenden hydraulischen Kräfte im Vergleich zu dem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1 bei geschlossenem Dichtsitz 4A bzw. bei geschlossenem Dichtsitz 4B nur unwesentlich bzw. überhaupt nicht verändern.
Der in der Ventilinnennadel 3B angeordnete Druckausgleichskolben 10B ist mit einem stiftförmigen Fortsatz 13 ausgeführt, der gegen eine Aufnahmefläche bzw. eine Sitzfläche 14 des Ventilkörpers 2 gedrückt ist, so dass der Druckausgleichskolben 10B der Ventilinnennadel 3B ein Schadvolumen sowohl im Bereich 8 und der Verbindungsleitung 12 als auch im Sackloch des Ventilkörpers 2 bzw. im Bereich des zweiten Kraftstoffrau s 6B reduziert. Zusätzlich wird der Druckausgleichskolben 10B durch die Wirkverbindung mit dem Ventilkörper 2 über sein in den zweiten Kraftstoffraum 6B vorkragendes Ende derart von dem Ventilkörper 2 geführt bzw. gelagert, dass der Druckausgleichskolben 10B als Führungselement für die Ventilinnennadel 3B eingesetzt werden kann. Bezug nehmend auf Figur 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgeführten Kraftstoffeinspritzventils dargestellt, wobei diese Ausführungsform eine Weiterbildung des in Figur 4 dargestellten Kraftstoffein- spritzventils darstellt und sich von der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform darin unterscheidet, dass der der Ventilaußennadel 3A zugeordnete Druckausgleichskolben 10A einstückig mit der Ventilinnennadel 3B ausgeführt ist und somit mit dieser wirkverbunden ist. Diese Ausgestaltung stellt eine fertigungstechnisch günstiger herzustellende Ausführungsform im Vergleich zu dem in Figur 4 dargestellten Kraftstoffeinspritzventil dar. Gleichzeitig ist die Ventilinnennadel 3B gemäß Figur 5 in platzsparender Art und Weise mit einer größeren in Öffnungsrichtung des Ventilsitzes 4B mit Kraftstoff beaufschlagbaren Stirnfläche als bei der Ausführung gemäß Figur 4 ausführbar, so dass bei geöffnetem Dichtsitz 4A an der Ventilinnennadel 4B eine größere und in Öffnungsrichtung wirkende Kraft anliegt als dies bei der Ventilinnennadel 4B gemäß Figur 4 der Fall ist.

Claims

Ansprüche
Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten, insbesondere Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem Ventilkörper (2) und wenigstens einer in dem Ventilkörper (2) längsbeweglich angeordneten Ventilnadel (3; 3A, 3B) , die mit einem Dichtsitz (4; 4A, 4B) des Ventilkörpers (2) derart zusammenwirkt, dass bei Anlage der Ventilnadel (3; 3A, 3B) an dem Dichtsitz (4; 4A, 4B) ein von der Ventilnadel (3; 3A, 3B) und dem Ventilkörper (2) begrenzter Kraftstof f zuführbereich (5) von einem ebenfalls von dem Ventilkörper (2) und der Ventilnadel (3; 3A, 3B) begrenzten Kraftstof f räum (6; 6A, 6B) , der über Einspritzöffnungen (7; 7A, 7B) des Ventilkörpers mit einem Brennraum einer Brennkraftmaschine in Verbindung steht, getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (3; 3A, 3B) in einem mit dem Kraftstoffraum (6; 6A, 6B) verbundenen Bereich (8) mit einer Druckausgleichsflache (9; 9A, 9B) ausgeführt ist, die bei geöffnetem Dichtsitz (4; 4A, 4B) mit unter Hochdruck in den Kraftstof f räum (6; 6A, 6B) zugeführtem Kraftstoff derart beaufschlagt wird, dass an der Ventilnadel (3; 3A, 3B) im Bereich der Druckausgleichsflache (9; 9A, 9B) eine in Schließrichtung des Dichtsitzes (4; 4A, 4B) wirkende Kraft angreift, und dass im Bereich der Druckausgleichsflache (9; 9A, 9B) ein Druckausgleichskolben (10; 10A, 10B) vorgesehen ist, an dessen dem Kraftstoffräum (6; 6A, 6B) zugewandter Stirnfläche (11; 11A, 11B) sich die an der Druckausgleichsflache (9; 9A, 9B) in Schließrichtung des Dichtsitzes (4; 4A, 4B) wirkende Kraft abstützt.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichs olben (10; 10A, 10B) derart in dem Ventilkörper (2) angeordnet und in Bezug auf die Ventilnadel (3; 3A, 3B) derart positioniert ist, das wenigstens ein Teil einer mit dem in den Kraftstoffraum (6; 6A, 6B) unter Hochdruck zugeführten Kraftstoff beaufschlagbaren Stirnfläche der Ventilnadel (3; 3A, 3B) , an der bei geöffnetem Dichtsitz (4; 4A, 4B) aufgrund des anliegenden Hochdrucks eine die Ventilnadel (3; 3A, 3B) in Öffnungsrichtung des Dichtsitzes (4; 4A, 4B) wirkende Kraft anliegt, von der Stirnfläche (11; ILA, 11B) des Druckausgleichskolbens (10; 10A, 10B) gegenüber dem Kraftstoff abgeschirmt ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichfläche (9; 9A, 9B) als eine Druckschulter in einer als Stufenbohrung in der Ventilnadel (3; 3A, 3B) ausgeführten Bohrung ausgeführt ist, wobei der Druckausgleichskolben (10; 10A, 10B) in einem Teil der Stufenbohrung angeordnet ist, der einen größe- ren Durchmesser aufweist als der Teil der Stufenbohrung, der eine Verbindungsleitung (12; 12A, 12B) zwischen der Druckausgleichsflache (9; 9A, 9B) und dem Kraftstoffräum (6; 6A, 6B) darstellt.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichskolben (10; 10A, 10B) an seinem dem Dichtsitz (4; 4A, 4B) abgewandten Ende mit dem Ventilkörper (2) wirkverbunden ist.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsflache (9; 9A, 9B) derart nahe am Dichtsitz (4; 4A, 4B) des Ventilkörpers (2) angeordnet ist, dass der auf die Druckausgleichsflache (9; 9A, 9B) bei geöffnetem Dichtsitz (4; 4A, 4B) wirkende Druck wenigstens annähernd dem am Dichtsitz (4; 4A, 4B) anliegenden Druck entspricht.
β. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichskolben (10A; 10B) mit einem stiftförmigen Fortsatz (13) ausgeführt ist, der in den Bereich der Stufenbohrung, der die Verbindungsleitung (12; 12B) zwischen dem Kraftstoffräum (6; 6B) und dem Bereich (8; 8B) der Ventilnadel (3; 3B) herstellt, eingreift.
7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der stiftförmige Fortsatz (13) des Druckausgleichskolbens (10B) mit seinem dem Kraftstoffräum (6B) zugewandten Ende mit einer Sitzfläche (14) des Ventilköpers (2) zusammenwirkt .
8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilkörper (2) zwei koaxial zueinander angeordnete Ventilnadeln (3A, 3B) vorgesehen sind, wobei wenigstens eine in der Ventilaußennadel (3A) längsbeweglich angeordnete Ventilinnennadel (3B) mit der Druckausgleichsflache (9A) und dem Druckausgleichkolben (10A) versehen ist.
9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Ventilaußennadel (3A) als auch die Ventilinnennadel (3B) mit einer Druckausgleichsflache (9A bzw. 9B) und einem Druckausgleichskolben (10A bzw. 10B) ausgeführt sind.
10. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der der Ventilaußennadel (3A) zugeordnete Druckausgleichskolben (10A) und die Ventilinnennadel (3B) wirkverbunden sind.
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