DE10018664A1 - Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Einspritzventil weist ein über eine Spannhülse 2 gegen einen Ventilkopf 3 verspanntes Ventilgehäuse 1 mit einem Hochdruckübergang auf, wobei die Krümmung wenigstens einer der zusammenwirkenden Dichtflächen 10a-f am Hochdruckübergang in Abhängigkeit vom Abstand der Dichtflächen zu einem Angriffbereich der Spannhülse 2 am Ventilgehäuse 1 und von einer Lage des Hochdruckübergangs in den Dichtflächen so ausgebildet ist, dass in einem Randbereich der Dichtflächen um den Hochdruckübergang herum eine erhöhte Flächenpressung auftritt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine nach dem O­ berbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Einspritzventil ist beispielsweise aus der DE 196 08 575 A1 bekannt. Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Speichereinspritzsysteme verwendet, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbei­ tet wird. Solche Einspritzsysteme sind als Common-Rail- Systeme (für Dieselmotoren) und HPDI-Einspritzsysteme (für Ottomotoren) bekannt. Bei diesen Einspritzsystemen wird der Kraftstoff mit einer Hochdruckpumpe in einen allen Zylindern des Motors gemeinsamen Druckspeicher befördert, von dem aus die Einspritzventile an den einzelnen Zylindern mit Kraft­ stoff versorgt werden. Das Öffnen und Schließen der Ein­ spritzventile wird dabei in der Regel elektromagnetisch ge­ steuert.

Da bei Dieselmotoren der Kraftstoff mit einem Druck von bis über 1500 bar in eine Brennkammer des Motors eingespritzt wird, werden an die Einspritzventile sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der äußeren Dichtheit gestellt. Insbesondere bei steigenden Systemdrücken wird der an die Hochdruckdichtflä­ chen der zu verbindenden Bauteile eines Einspritzventils ge­ stellte Anspruch immer größer. Als Hochdruckdichtflächen wer­ den dabei solche Berührungsflächen der Bauteile eines Ein­ spritzventils bezeichnet, die von Kraftstoff unter hohem Druck durchströmt werden.

Um eine gleichmäßige Flächenpressung auf der gesamten Dicht­ fläche zu erreichen, werden die Hochdruckdichtflächen in der Regel möglichst plan ausgebildet. Da es bei schwankenden Betriebsbedingungen sowie der Alterung des Ventils zu einem Nachlassen der Flächenpressung und somit der Dichtigkeit der Hochdruckdichtflächen kommen kann, wird mit der DE 196 08 575 A1 vorgeschlagen, dass mindestens eine Hoch­ druckdichtfläche konvex nach außen gewölbt ausgebildet ist. Durch die Verformung des konvex nach außen gewölbten Teils der Dichtfläche beim Zusammenpressen zweier Dichtflächen soll dabei erreicht werden, dass diese Hochdruckdichtflächen auch dann noch abdichtend wirksam sind, wenn die axiale Vorspan­ nung mit der Zeit ein wenig nachläßt, da der Bereich der e­ lastisch verformten Dichtfläche eine Leckage verhindern soll. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Art der Ausgestaltung der Hochdruckdichtflächen abhängig von der Lage der axialen Verspannung am Ventil bzw. der Position des Hochdruckübergangs in den Dichtflächen nicht in allen Fällen eine fortdauernde Dichtigkeit der abzudichtenden Hochdruck­ dichtflächen gewährleistet.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Einspritzventil dahingehend auszugestalten, unabhängig von der Lage der axialen Verspannung am Ventil bzw. der Position des Hochdruckübergangs in den Dichtflächen eine zuverlässige Dichtigkeit gewährleistet wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Einspritz­ ventils sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Durch eine erfindungsgemäße Wahl des Radius einer Krümmung wenigstens einer von zusammenwirkenden Dichtflächen an einem Hochdruckübergang in Abhängigkeit vom Abstand der Dichtflä­ chen zu einem Angriffbereich einer Spannhülse an einem Ven­ tilgehäuse und von einer Lage des Hochdruckübergangs in den Dichtflächen wird dafür gesorgt, dass in einem Randbereich der Dichtflächen um den Hochdruckübergang herum eine erhöhte Flächenpressung auftritt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Ven­ tilkopf und dem Ventilgehäuse im wesentlichen mittig ein Hochdruckübergang vorgesehen und mindestens eine der zusam­ menwirkenden Dichtflächen von Ventilgehäuse und Ventilkopf konvex nach außen gewölbt, so dass eine erhöhte Dichtwirkung im Bereich der Dichtflächen um den Hochdruckübergang herum erreicht und eine Kraftstoffleckage zuverlässig verhindert wird.

Durch das erfindungsgemäße Ausgestaltung mindestens einer der Dichtflächen eines Dichtflächenpaares bei einem seitlich zur Mittenachse versetzten Hochdruckübergang als konkav nach in­ nen gewölbte Fläche wird erreicht, dass die Flächenpressung am radial äußeren Rand der Hochdruckdichtflächen sehr hoch ist, wodurch zuverlässig verhindert wird, dass Kraftstoff aus der Hochdruckbohrung über die Dichtflächen nach außen dringen kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestal­ teten Einspritzventils beispielhaft in einem schematischen Längsschnitt dargestellt ist.

Das in der Zeichnung gezeigte Einspritzventil besteht im we­ sentlichen aus einem Ventilgehäuse 1 das über eine Spannhülse 2 mit einem Ventilkopf 3 verspannt ist, sowie einem im Ven­ tilgehäuse axial verschiebbar geführten Ventilkörper 4, der in einer Wirkverbindung mit einer Düsennadel 8 steht. Das Ventilgehäuse 1 setzt sich in der dargestellten Ausführungs­ form aus drei in Axialrichtung übereinander angeordneten Ven­ tilmodulen, nämlich einem den Ventilkörper 4 führenden Steu­ ermodul mit 1a einem Hochdruckraum 10, einer Anschlagscheibe 1b und einem Düsenmodul 1c, in dem Düsennadel 8 geführt wird, zusammen.

Wie aus der Darstellung ersichtlich, wird Kraftstoff von ei­ nem nicht dargestellten Hochdruckspeicher mit Systemdruck ü­ ber eine Hochdruckleitung 5 und eine Zulaufbohrung 6 in den Hochdruckraum 10 im Steuermodul 1a eingespeist. Im Hochdruck­ raum 10 wirkt der dort herrschende Druck auf das hintere Ende des axial verschiebbar geführten Ventilkörpers 4. Die Hoch­ druckbohrung 5 ist weiterhin mit einem Steuerraum 7 im Düsen­ modul 1c verbunden, in der Kraftstoffdruck auf die Düsennadel 8 wirkt. Wenn sowohl im Hochdruckraum 10 als auch im Steuer­ raum 7 der volle Systemdruck anliegen wird die Düsennadel 8 aufgrund der größeren Wirkfläche im Hochdruckraum 10 durch den Ventilkörper 4 nach unten gedrückt, so dass die Düsenna­ del 8 die Einspritzlöcher 9 im Ventilgehäuse verschließt.

Der Druck im Hochdruckraum 10 wird über ein Steuerventil (nicht gezeigt) eingestellt, das von einem Aktor angesteuert und betätigt wird. Ist das Steuerventil geschlossen, steht im Hochdruckraum 10 der volle Systemdruck an. Wird das Steuer­ ventil über den Aktor angesteuert, so öffnet sich das Steuer­ ventil und der Druck im Hochdruckraum 10 nimmt ab. Dadurch verringert sich die vom Ventilkörper 4 auf die Düsennadel 8 ausgeübte Kraft, so dass sich die Düsennadel 8 hydraulisch öffnet und eine Verbindung zwischen dem Steuerraum 7 mit den Einspritzlöchern 9 herstellt, wodurch Kraftstoff in dem Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt wird.

Zur Abdichtung der unter Hochdruck stehenden Innenräume des Einspritzventils ist es notwendig, die paarweise aufeinander­ liegenden Dichtflächen 10a und 10b zwischen dem Ventilgehäuse 1 und dem Ventilkopf 3 sowie die paarweise aufeinanderliegen­ den Dichtflächen 10c bis 10f, zwischen den einzelnen Ventil­ modulen 1a, 1b, 1c druckdicht zusammenwirken, so dass auch bei einem Systemdruck von über 1500 bar eine leckagefreie Kraftstoffleitung zwischen den einzelnen Bauteilen gegenein­ ander gewährleistet ist.

Zielsetzung ist es hierbei, insbesondere eine hohe Flächen­ pressung im Bereich der Hochdruckübergänge sicherzustellen, und darüber hinaus zu gewährleisten, was für eine druckdichte Abdichtung auch bei Temperaturschwankungen und längerer Be­ triebsdauer gesorgt ist. Die Flächenpressung zwischen den Dichtflächen wird dabei vor allem vom Abstand dieser Dicht­ flächen zum Angriffsbereich der Spannhülse 2 am Ventilkörper 1 bzw. am Ventilkopf 3 beeinflusst. In diesem Angriffsbereich wird eine erhöhte Kraft in den Randbereich der Bauteile ein­ geleitet, die dann zu einer erhöhten Flächenpressung an den Dichtflächen führt. Gleichzeitig nimmt jedoch die Flächen­ pressung an den übrigen Abschnitten der Dichtflächen ab.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Spannhülse 2 am Übergang zwischen dem Ventilkörper 1 zum Ventilkopf 3 mit dem Ventilkopf 3 verschraubt. Aufgrund der am Gewinde angreifen­ den axialen Verspannungskraft tritt eine verstärkte Flächen­ pressung am äußeren Rand der Dichtflächen zwischen dem Ven­ tilgehäuse 1 und dem Ventilkopf 3 auf. Im Bereich des innen­ liegenden Hochdruckraums 10 ist dagegen die Flächenpressung an den Dichtflächen reduziert, so dass die Gefahr einer Kraftstoffleckage besteht. Um eine erhöhte Flächenpressung in diesem Randbereich der Dichtflächen 10a, 10b um den Hoch­ druckraum 10 zu erreichen, ist die Dichtfläche 10a konvex nach außen gewölbt ausgebildet, die Dichtfläche 10b dagegen plan. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die Dichtflä­ che 10b konvex nach außen gewölbt auszugestalten und die Dichtfläche 10a plan zu halten. Weiterhin kann anstatt einer planen Ausgestaltung der Gegendichtfläche zur konvex ausge­ bildeten Dichtfläche auch eine leicht konkave Form gewählt werden, wodurch ein guter Sitz zwischen den Dichtflächen er­ reicht wird. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass die Krümmung der konkaven Dichtfläche immer kleiner als die der konvexen Dichtfläche ausfällt.

Mit zunehmenden Abstand vom Angriffspunkt der Spannhülse 2 am Ventilgehäuse 1 bzw. am Ventilkopf 3 nimmt die von der Ver­ schraubung in den Randbereich der Bauteile eingeleitete Kraft ab. Aus diesem Grund tritt auch im Bereich der weiter beabstandeten Dichtflächen 10c, 10d, 10e, 10f zwischen dem Steuermodul 1a, der Anschlagscheibe 1b und dem Düsenmodul 1c keine erhöhte Flächenpressung mehr am Randbereich der Dicht­ flächen auf. In diesem Bereich der Dichtflächen ist jedoch, wie die Figur zeigt, die Hochdruckbohrung 5 eingebracht, so dass zur Verhinderung einer Kraftstoffleckage hier eine ver­ stärkte Dichtwirkung gewünscht ist. Um hier eine verbesserte Flächenpressung zu erreichen, ist deshalb jeweils eine der Dichtflächen der Dichtflächenpaare 10c, 10d, 10e und 10f zwi­ schen dem Steuermodul 1a und der Anschlagscheibe 1b zwischen der Anschlagscheibe 1b und dem Düsenmodul 1c konkav nach in­ nen gewölbt ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung wird eine Steigerung der Flächenpressung im Randbereich der Dichtflä­ che, also am Übergang der Hochdruckbohrung 5 zwischen den Bauteilen erreicht. Auch bei diesen Dichtflächen ist es mög­ lich, statt einer planen Gegendichtfläche zur konkav geform­ ten Dichtfläche, eine konvexe Form zu wählen, wobei jedoch der Krümmungsradius größer sein muss als der Krümmungsradius der konkaven Fläche.

Bei allen dargestellten Krümmungen ist es vorteilhaft den Scheitelpunkt der Wölbung in der Mitte der Dichtfläche anzu­ ordnen, wobei der Scheitelpunkt bis maximal 10 µm über den Randbereich übersteht.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung mindestens einer ge­ krümmten Dichtfläche in Abhängigkeit von der Lage des Hoch­ drucksübergangs in einem Dichtflächenpaar sowie des Abstands zum Krafteinleitungspunkt der Spannhülse 2 in den Ventilkör­ per 1 bzw. dem Ventilkopf 3 wird eine zuverlässige und auch bei schwankenden Betriebsbedingungen drucksichere Abdichtung der unter hohem Druck stehenden von Kraftstoff durchflossenen Teile des Einspritzventils erzielt.

Claims (8)

1. Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine mit einem in einem Ven­ tilgehäuse (1) axial verschiebbar geführten Ventilkörper (4), wobei das Ventilgehäuse (1) über eine Spannhülse (2) so gegen einen Ventilkopf (3) verspannt ist, dass zwei einander zugewandten Dichtflächen (10a-f) an ei­ nem Hochdruckübergang von Ventilgehäuse (1) und/oder Ventilkopf (3) druckdicht zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung wenigstens einer der zusammenwirkenden Dichtflächen (10a-f) in Abhängigkeit vom Abstand der Dichtflächen zu einem Angriffbereich der Spannhülse (2) am Ventilgehäuse (1) und von einer Lage des Hochdruck­ übergangs in den Dichtflächen so ausgebildet ist, dass in einem Randbereich der Dichtflächen um den Hochdruck­ übergang herum eine erhöhte Flächenpressung auftritt.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zwischen dem Ventilkopf (3) und dem Ventilgehäuse (1) im wesentlichen mittig ein Hochdruckübergang besteht und mindestens eine der zusam­ menwirkenden Dichtflächen (10a, 10b) von Ventilgehäuse (1) und Ventilkopf (3) konvex nach außen gewölbt ist.

3. Einspritzventil nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Scheitelpunkt der konvex nach außen gewölbten Dichtfläche in etwa in der Mitte der jeweiligen Dichtfläche angeordnet ist.

4. Einspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelpunkt der kon­ vex nach außen gewölbten Dichtfläche um maximal 10 µm ü­ ber seinen Rand hervorsteht.

5. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (1) mehrteilig aus in axialer Richtung übereinander an­ geordneten Ventilmodulen (1a, 1b, 1c) besteht, wobei seitlich zur Mittenachse der Ventilmodule versetzt eine Hochdruckbohrung (5) durch die Ventilmodule verläuft und mindestens eine Dichtfläche (10c-f) der einander zuge­ wandten Dichtflächen zwischen den einzelnen Ventilmodu­ len (1a, 1b, 1c) konkav nach innen gewölbt verformt ist.

6. Einspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Scheitelpunkt der mindestens ei­ nen konkav nach innen gewölbten Dichtfläche in etwa in der Mitte der jeweiligen Dichtfläche angeordnet ist.

7. Einspritzventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelpunkt der kon­ kav nach innen gewölbten Dichtfläche um maximal 10 µm gegenüber seinem Rand zurück versetzt ist.

8. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass die nicht gekrümm­ te Dichtfläche eines Dichtflächenpaares (10a-f) plan ausgebildet ist.