DE10122503A1 - Ventil mit radialen Ausnehmungen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil mit einer in einer Bohrung (5) eines Ventilkörpers (3) axial verschiebbaren Ventilnadel (2), die an ihrem einen Ende eine konische Ventilnadelspitze (4) aufweist. Die Ventilnadelspitze (4) umfaßt dabei eine radiale Ventildichtfläche (9), die in Schließstellung des Ventils an einer konischen Ventilkörperinnenwand (6) am geschlossenen Ende der Bohrung (5) zur Anlage kommt. In der konischen Ventilkörperinnenwand (6) ist mindestens eine Öffnung (7) angeordnet, die die Bohrung (5) mit der Außenseite (8) des Ventilkörpers (3) verbindet. Das Ventil enthält zwei radiale Ausnehmungen (12, 13, 16, 17), die in der Ventilnadelspitze (4) oder der Ventilkörperinnenwand (6) angeordnet sind, wobei sich eine der radialen Ausnehmungen (13, 17) stromaufwärts (10) und die andere radiale Ausnehmung (12, 16) stromabwärts (11) von der Position der Ventildichtfläche (9) in Schließstellung des Ventils befindet.
Description
Einspritzdüsen sind wesentliche Bauteile von selbstzündenden Brennkraftmaschinen. Zu
ihren Aufgaben zählen das dosierte Einspritzen, das Aufbereiten des Kraftstoffs, das For
men des Einspritzverlaufs und das Abdichten gegen den Brennraum. Neben der Hauptein
spritzung erfolgt u. a. bei Common Rail-Dieseleinspritzsystemen eine Voreinspritzung, die
eine Absenkung von Abgasemissionen und von Geräuschabstrahlungen ermöglicht. Die
vorliegende Erfindung betrifft jedoch nicht nur Kraftstoffeinspritzdüsen, sondern alle Arten
von Düsen bzw. Zumeßventilen.
DE 196 34 933 bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit
einem in einer Bohrung eines Ventilkörpers axial verschiebbaren Ventilglied. Das Ventil
glied weist an seinem dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Ende eine
konische Ventildichtfläche auf, mit der es mit einer konischen Ventilsitzfläche am brenn
raumseitigen geschlossenen Ende der Bohrung des Ventilkörpers zusammenwirkt. Die ko
nische Ventildichtfläche am Ventilglied ist in zwei unterschiedliche Kegelwinkel aufwei
sende Bereiche geteilt. An dem Übergang der zwei Bereiche ist eine Ventildichtkante ge
bildet. Ferner weist das Kraftstoffeinspritzventil wenigstens eine Einspritzöffnung auf, die
sich in dem sich stromabwärts an die Dichtkante anschließenden Bereich befindet.
Schließlich ist zwischen den jeweils einen unterschiedlichen Kegelwinkel aufweisenden
Ventildichtflächenbereichen ein Absatz vorgesehen, woraus sich Vorteile für die Zumeß
genauigkeit der Einspritzmenge ergeben.
Die Zumessung der Einspritzmenge durch eine Kraftstoffeinspritzdüse ändert sich über
ihre Lebensdauer aufgrund von Verschleiß. Insbesondere bei Common Rail Injektoren ver
ändert sich die Position der Ventildichtfläche, also derjenigen Fläche, mit der die Ventilna
delspitze in Schließstellung des Ventils an der konischen Ventilkörperinnenwand zur An
lage kommt. Die Ventildichtfläche kann, verursacht durch Verschleiß, sowohl zum größe
ren als auch zum kleineren Durchmesser der konischen Ventilnadelspitze "wandern". Die
Ventilnadel kommt folglich in Schließposition des Ventils an einem höheren Punkt relativ
zum Ventilkörper an der Ventilkörperinnenwand zur Anlage. Dadurch ergibt sich ein ver
änderter Einspritzverlauf. Dies führt insbesondere bei Common Rail Einspritzdüsen dazu,
daß mit fortschreitender Lastspielzahl (Zahl der Lastwechsel) die Voreinspritzmenge klei
ner wird und schließlich ganz wegfällt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das "Wandern" der Ventildichtfläche be
grenzt und der Verschleiß des Ventils reduziert wird. Dies wird erreicht durch ein Ventil
mit einer in einer Bohrung eines Ventilkörpers axial verschiebbaren Ventilnadel, die an
ihrem einen Ende eine konische Ventilnadelspitze aufweist. Die Ventilnadelspitze umfaßt
dabei eine radiale Ventildichtfläche, die in Schließstellung des Ventils an einer konischen
Ventilkörperinnenwand am geschlossenen Ende der Bohrung zur Anlage kommt. In der
konischen Ventilkörperinnenwand ist mindestens eine Öffnung angeordnet, die die Boh
rung mit der Außenseite des Ventilkörpers verbindet. Das Ventil enthält zwei radiale Aus
nehmungen, die in der Ventilnadelspitze oder der Ventilkörperinnenwand angeordnet sind,
wobei sich eine der radialen Ausnehmungen stromaufwärts und die andere radiale Aus
nehmung stromabwärts von der Position der Ventildichtfläche in Schließstellung des Ven
tils befindet.
Zwischen den radialen Ausnehmungen befindet sich ein Sitzbereich, auf den das "Wan
dern" der Ventildichtfläche begrenzt ist. In Schließstellung des Ventils kommt die Ventil
nadelspitze mit der Ventildichtfläche in diesem Sitzbereich an der konischen Ventilkörpe
rinnenwand zur Anlage und dichtet somit die Bohrung stromaufwärts von der Ventildicht
fläche gegen die Bohrung stromabwärts von der Ventildichtfläche und somit auch gegen
die Außenseite des Ventilkörpers ab. Unter der Außenseite des Ventilkörpers ist in diesem
Zusammenhang dasjenige Volumen zu verstehen, in das ein strömendes flüssiges oder gas
förmiges Medium eintritt, wenn es bei geöffnetem Ventil aus dem Ventil über seine Öff
nungen austritt. Mit zunehmendem Verschleiß kann die Ventildichtfläche (bezogen auf die
Schließstellung des Ventils) entweder bis zur Oberkante der ersten Ausnehmung stromab
wärts oder bis zur Unterkante der zweiten Ausnehmung stromaufwärts "wandern", aber
nicht weiter. Die Ausnehmungen verhindern, dort wo sie radial in der Ventilnadelspitze
oder der Ventilkörperinnenwand angeordnet sind, ein Anliegen der Ventilnadelspitze an
der Ventilkörperinnenwand, da sie einen Abstand zwischen diesen beiden Bestandteilen
des Ventils erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die konische
Ventilnadelspitze eine Mantelfläche, die mindestens zwei Bereiche mit verschiedenen Ke
gelwinkeln umfaßt.
Die Anordnung der mindestens zwei Bereiche der Ventilnadelspitze mit den verschiedenen
Kegelwinkeln in Kombination mit den Positionen der erfindungsgemäßen zwei radialen
Ausnehmungen und dem Kegelwinkel der konischen Ventilkörperinnenwand definieren,
auf welcher Position der Ventilnadelspitze sich die Ventildichtfläche befindet.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsge
mäßen Ventils, wobei die Ausnehmungen durch Bearbeitung eines Standardventils gefer
tigt werden, beispielsweise durch spanende Bearbeitung. Durch Verwendung von Stan
dardventilen, die serienmäßig eingesetzt werden, können die erfindungsgemäßen Ventile
kostengünstig und mit geringem Aufwand hergestellt werden.
Anhand der Figur wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 zwei mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils.
Fig. 1 zeigt zwei Varianten des erfindungsgemäßen Ventils kombiniert in einer schemati
schen Zeichnung. Eine Variante ist links von der Symmetrieachse 1, die andere rechts da
von dargestellt. Hauptbestandteile des gezeigten Ventils sind die Ventilnadel 2 und der
Ventilkörper 3, wobei die Ventilnadel 2 axial in dem Ventilkörper 3 verschiebbar ist. Die
Ventilnadel 2 weist an ihrem Ende eine konische Ventilnadelspitze 4 auf. Der Ventilkörper
3 enthält eine Bohrung 5, die am Ende konisch zuläuft. In der konischen Ventilkörperin
nenwand 6 sind Öffnungen 7 angeordnet, die die Bohrung 5 bei geöffnetem Ventil mit der
Außenseite 8 des Ventilkörpers 3 verbinden.
In der Schließstellung des Ventils kommt die Ventilnadelspitze 4 mit einer radialen Ventil
dichtfläche 9 an der konischen Ventilkörperinnenwand 6 zur Anlage. Die Ventildichtfläche
9 hat die Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfs. Sie liegt bei geschlossenem Ventil an
der konischen Ventilkörperinnenwand 6 an und dichtet somit die Bohrung 5 stromaufwärts
10 von der Ventildichtfläche 9 gegen die Bohrung 5 stromabwärts 11 von der Ventildicht
fläche 9 ab. Das Ventil ist dann dicht geschlossen und ein flüssiges oder gasförmiges Me
dium kann nicht aus den Öffnungen 7 zur Außenseite 8 austreten.
Bei der links von der Symmetrieachse 12 dargestellten ersten Variante des erfindungsge
mäßen Ventils enthält das Ventil zwei radiale Ausnehmungen 12 und 13. Beide sind in der
Ventilnadelspitze 4 angeordnet.
In dieser bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils umfaßt die Man
telfläche der Ventilnadelspitze 4 drei Bereiche mit verschiedenen Kegelwinkeln δ1, δ2 und
δ3. Die drei Bereiche werden jeweils durch eine der zwei Ausnehmungen 12, 13 voneinan
der getrennt. Die Grenzen der Bereiche liegen zwischen der oberen 18 und der unteren
Kante 19 oder auf einer der beiden Kanten der jeweiligen Ausnehmung 12, 13. Die Kegel
winkel δ1, δ2, δ3 der drei Bereiche werden stromabwärts 11 größer (δ1 < δ2 < δ3). Der Ke
gelwinkel β der konischen Ventilkörperinnenwand 6 ist kleiner als der Kegelwinkel δ3 und
größer als der Kegelwinkel δ2. Dadurch ist die Position der Ventildichtfläche 9 des Ventils,
bevor es verschleißt, genau definiert. Sie liegt an dem Übergang zwischen den beiden Be
reichen mit den Kegelwinkeln δ2 und δ3 oder, falls dort wie in Fig. 1 eine Ausnehmung 12
angeordnet ist, an der oberen Kante dieser Ausnehmung 12. Durch Verschleiß kann sich
die Anlage-Position der Ventildichtfläche 9 an der Ventilkörperinnenwand 6 in Schließpo
sition des Ventils lediglich in dem Sitzbereich 14 zwischen den Ausnehmungen 12 und 13
verschieben. Der Abstand zwischen den beiden Ausnehmungen 12 und 13 gibt vor, wie
weit die Ventildichtfläche maximal "wandern" kann, wie groß demnach der mögliche Sitz
bereich 14 ist.
Durch die Vorgabe δ1 < δ2 für die Kegelwinkel der zwei Ventilnadelspitzen-Bereiche erge
ben sich zwei Differenzwinkel α1, α2 von der Ventilnadelspitze 4 zu der konischen Ventil
körperinnenwand 6, für die gilt: α2 < α1. Dies ist eine weitere Maßnahme, um ein Wandern
der Ventildichtfläche 9 zu einem größeren Ventilnadeldurchmesser hin, oberhalb der
zweiten Ausnehmung 13, zu verhindern. Als Ergebnis liegt die Ventildichtfläche 9 bei ge
schlossenem Ventil ausschließlich in dem Sitzbereich 14 an der Ventilkörperinnenwand 6
an.
Zur Gewährleistung, daß der Differenzwinkel α2 größer als der Differenzwinkel α1 ist, wä
re auch denkbar, daß die Ventilnadelspitze nur zwei Bereiche mit unterschiedlichen Ke
gelwinkeln δ2 und δ3 aufweist, die Ventilkörperinnenwand 6 jedoch in Schließposition des
Ventils stromaufwärts 10 von der unteren Kante der zweiten Ausnehmung 13 einen Ke
gelwinkel aufweist, der größer als der Kegelwinkel β der Ventilkörperinnenwand 6 strom
abwärts 11 davon ist. Folglich würde das konische Ende des Ventilkörpers 3 stromaufwärts
10 einen "Knick nach außen" aufweisen.
Für die zweite, rechts von der Symmetrieachse 1 dargestellte Variante des erfindungsge
mäßen Ventils gilt dasselbe wie für die erste Variante. Der einzige Unterschied zur ersten
Variante besteht darin, daß nur die erste radiale Ausnehmung 16 in der Ventilnadelspitze 4
angeordnet ist, wohingegen sich die zweite radiale Ausnehmung 17 in der konischen Ven
tilkörperinnenwand 6 befindet. Dadurch wird derselbe Effekt wie in der ersten Variante
erzielt: Die Ventildichtfläche 9 kann infolge von Verschleiß des Ventils lediglich entlang
des Sitzbereiches 15 "wandern", der in Schließposition des Ventils durch die beiden Aus
nehmungen 16 und 17 begrenzt wird.
Denkbar sind weitere Varianten des erfindungsgemäßen Ventils (nicht in der Figur darge
stellt), bei denen zum Beispiel beide Ausnehmungen in der konischen Ventilkörperinnen
wand 6 oder die erste Ausnehmung in der Ventilkörperinnenwand 6 und die zweite Aus
nehmung in der Ventilnadelspitze 4 angeordnet sind.
Bei den in Fig. 1 dargestellten Varianten der vorliegenden Erfindung haben die Ausneh
mungen einen Querschnitt mit der Form eines Kreissegments (Nut). Weitere mögliche
Formen, die der Querschnitt der jeweiligen Ausnehmung haben kann, sind die eines Kreis
sektors, eines Drei-, Vier- oder sonstigen Vielecks oder Kombinationen aus verschiedenen
der genannten Formen. Unter eine Kombination ist beispielsweise ein Querschnitt mit der
Form eines Kreissektors, der in ein Viereck übergeht, zu verstehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Ventil eine
Kraftstoffeinspritzdüse, vorzugsweise in selbstzündenden Brennkraftmaschinen. Bei Kraft
stoffeinspritzsystemen ergibt sich über die Lebensdauer der Kraftstoffeinspritzdüse eine
Einspritzmengendrift durch ein verschleißbedingtes "Wandern" der Ventildichtfläche 9.
Ein veränderter Einspritzverlauf kann zu unerwünschten Abgasemissionen, lauteren Lauf
geräuschen oder einem größeren Verschleiß der selbstzündenden Brennkraftmaschine füh
ren. Bei einem erfindungsgemäßen Ventil wird diese Einspritzmengendrift in vorteilhafter
Weise begrenzt und stark verringert, da die Ventildichtfläche 9 lediglich innerhalb des
Sitzbereichs 14, 15 "wandern" kann. In Abhängigkeit von dem axialen Abstand der beiden
Ausnehmungen kann die maximale Mengendrift während der Lebensdauer der Kraftstof
feinspritzdüse eingestellt werden.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Ventil als Kraftstoffeinspritzdüse in selbstzün
denden Brennkraftmaschinen mit Common Rail-Dieseleinspritzung eingesetzt. Insbesonde
re bei Common Rail-Düsen verringert sich die Voreinspritzmenge durch ein verschleißbe
dingtes Wandern der Ventildichtfläche 9 zu größeren Ventilnadeldurchmessern hin, im
Extremfall bleibt die Voreinspritzung ganz aus. Dies wird in vorteilhafter Weise durch den
Einsatz erfindungsgemäßer Ventile verhindert.
Das erfindungsgemäße Ventil kann als Sitz- oder Sacklochdüse aufgebaut sein. Die Öff
nungen 7 einer Sacklochdüse sind in einem Sackloch angeordnet, das sich in Schließstel
lung des Ventils unterhalb der Ventilnadelspitze 4 in dem Ventilkörper 3 befindet. Bei
Sitzlochdüsen liegt der Anfang der Öffnungen 7 so in der Ventilkörperinnenwand 6, daß
sie bei geschlossener Düse durch die Ventilnadelspitze 4 weitgehend abgedeckt sind. In
Fig. 1 ist eine Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils als Sitzlochdüse dargestellt.
1
Symmetrieachse
2
Ventilnadel
3
Ventilkörper
4
Ventilnadelspitze
5
Bohrung
6
konische Ventilkörperinnenwand
7
Öffnung
8
Außenseite
9
Ventildichtfläche
10
stromaufwärts
11
stromabwärts
12
erste radiale Ausnehmung (
1
. Variante)
13
zweite radiale Ausnehmung (
1
. Variante)
14
Sitzbereich (
1
. Variante)
15
Sitzbereich (
2
. Variante)
16
erste radiale Ausnehmung (
2
. Variante)
17
zweite radiale Ausnehmung (
2
. Variante)
18
obere Kante einer Ausnehmung
19
untere Kante einer Ausnehmung
δ1
δ1
erster Kegelwinkel von einem Bereich der Ventilnadelspitze
δ2
δ2
zweiter Kegelwinkel von einem Bereich der Ventilnadelspitze
δ3
δ3
dritter Kegelwinkel von einem Bereich der Ventilnadelspitze
β Kegelwinkel der Ventilkörperinnenwand
α1
β Kegelwinkel der Ventilkörperinnenwand
α1
erster Differenzwinkel
α2
α2
zweiter Differenzwinkel
Claims (10)
1. Ventil mit einer in einer Bohrung (5) eines Ventilkörpers (3) axial verschiebbaren
Ventilnadel (2), die an ihrem einen Ende eine konische Ventilnadelspitze (4) aufweist,
wobei die Ventilnadelspitze (4) eine radiale Ventildichtfläche (9) umfaßt, die in
Schließstellung des Ventils an einer konischen Ventilkörperinnenwand (6) am ge
schlossenen Ende der Bohrung (5) zur Anlage kommt, wobei in der konischen Ventil
körperinnenwand (6) mindestens eine Öffnung (7) angeordnet ist, die die Bohrung (5)
mit der Außenseite (8) des Ventilkörpers (3) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ventil zwei radiale Ausnehmungen (12, 13, 16, 17) enthält, die in der Ventilnadel
spitze (4) oder der Ventilkörperinnenwand (6) angeordnet sind, wobei sich eine der ra
dialen Ausnehmungen (13, 17) stromaufwärts (10) und die andere radiale Ausneh
mung (12, 16) stromabwärts (11) von der Position der Ventildichtfläche (9) in Schließ
stellung des Ventils befindet.
2. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Ventilnadelspit
ze (4) eine Mantelfläche besitzt, die mindestens zwei Bereiche mit verschiedenen Ke
gelwinkeln umfaßt.
3. Ventil gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche der Ventil
nadelspitze (4) drei Bereiche mit verschiedenen Kegelwinkeln (δ1, δ2, δ3) umfaßt, wo
bei die drei Bereiche in Schließstellung des Ventils jeweils durch eine der zwei radia
len Ausnehmungen (12, 13, 16, 17) voneinander getrennt werden und die Kegelwinkel
(δ1, δ2, δ3) der drei Bereiche stromabwärts (11) größer werden.
4. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Ventilkörperin
nenwand (6) mindestens zwei Bereiche mit verschiedenen Kegelwinkeln umfaßt, wo
bei die Kegelwinkel stromaufwärts (10) größer werden.
5. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide radialen Ausnehmungen
in der Ventilnadelspitze (4) oder in der Ventilkörperinnenwand (6) angeordnet sind
oder daß eine radiale Ausnehmung (16, 17) in der Ventilnadelspitze (4) und eine in der
Ventilkörperinnenwand (6) angeordnet ist.
6. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (12, 13,
16, 17) einen Querschnitt haben, der die Form eines Kreissegments (Nut), eines Kreis
sektors, eines Drei-, Vier-, oder sonstigen Vielecks oder Kombinationen daraus, be
sitzt.
7. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil eine Kraftstoffein
spritzdüse ist, vorzugsweise in selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
8. Ventil gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die selbstzündenden Brenn
kraftmaschinen eine Common Rail-Dieseleinspritzung umfassen.
9. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil als Sitz- oder
Sacklochdüse aufgebaut ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Ventils gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (12, 13, 16, 17) durch Bearbeitung eines
Standardventils gefertigt werden.
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