DE102013220823B3

DE102013220823B3 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102013220823B3
Application number: DE102013220823.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Kurz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2033-10-16

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil (100) für Brennkraftmaschinen zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck umfasst einen Druckraum (1.7), in dem eine Düsennadel (1.3) längsverschiebbar angeordnet ist, wobei die Düsennadel (1.3) durch ihre Längsbewegung mit einem Düsennadelsitz (1.5) zusammenwirkt und durch den Druck in einem Steuerraum (1.1) eine in Richtung des Düsennadelsitzes (1.5) gerichtete Schließkraft erfährt. Im Kraftstoffeinspritzventil (100) ist ein Steuerventil (50) ausgebildet, durch welches der Druck im Steuerraum (1.1) einstellbar ist, wobei das Steuerventil (50) einen in einem Ventilkörper (7) ausgebildeten und über eine Ablaufdrossel (2.3) mit dem Steuerraum (1.1) verbundenen Ventilraum (7.2) umfasst, in dem ein Ventilbolzen (5) längsbewegbar angeordnet ist. Weiterhin umfasst das Kraftstoffeinspritzventil (100) eine mit dem Steuerraum (1.1) verbundene Zulaufdrossel (2.2), und eine mit dem Druckraum (1.7) verbundene Füllbohrung (2.1). Die Füllbohrung (2.1), die Zulaufdrossel (2.2) und die Ablaufdrossel (2.3) münden zumindest mittelbar in einen Verteilerraum (4.4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
Stand der Technik
Kraftstoffeinspritzventile, wie sie vorzugsweise zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Einspritzsystemen, die nach dem sogenannten Common-Rail-Prinzip arbeiten, wird mittels einer Hochdruckpumpe verdichteter Kraftstoff in einem Rail zur Verfügung gestellt und mittels Kraftstoffeinspritzventilen in die jeweiligen Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt. In jedem Kraftstoffeinspritzventil wird die Einspritzung mittels einer Düsennadel gesteuert, die eine Längsbewegung ausführt und dadurch eine oder mehrere Einspritzöffnungen öffnet und schließt. Da es insbesondere bei der Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck nicht sinnvoll oder nicht möglich ist, die Düsennadel direkt durch einen elektrischen Aktor zu bewegen, werden hydraulische Kräfte, die der verdichtete Kraftstoff auf die Düsennadel ausübt, zur Ansteuerung verwendet. Hierzu ist im Kraftstoffeinspritzventil ein Steuerraum ausgebildet, dessen Druck auf die Düsennadel wirkt und sie dadurch gegen einen Düsennadelsitz presst, so dass die Düsennadel die Einspritzöffnungen verschließt. Durch Änderung des Drucks im Steuerraum und damit der Schließkraft auf die Düsennadel kann die Längsbewegung der Düsennadel gezielt gesteuert werden.
Der Kraftstoffdruck im Steuerraum wird mittels eines Steuerventils beeinflusst, wobei der Steuerraum abwechselnd mit einem Niederdruckraum verbunden oder diese Verbindung durch das Steuerventil unterbrochen wird. Aus der DE 10 2008 001 330 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das ein solches Steuerventil aufweist. Das Steuerventil ist hier als sogenanntes 3/2-Wege-Ventil ausgeführt und steuert die Verbindung des Steuerraums einerseits zum Hochdruckkanal, aus dem der verdichtete Kraftstoff dem Einspritzventil zugeführt wird, und andererseits zu einem Niederdruckraum. Das Steuerventil weist dazu einen Ventilbolzen auf, der mittels eines elektrischen Aktors, beispielsweise eines Magnets oder eines Piezoaktors, innerhalb eines Ventilraums bewegt werden kann und so mit einem ersten Ventilsitz und einem zweiten Ventilsitz zusammenwirkt. Befindet sich der Ventilbolzen in Anlage am ersten Ventilsitz, so wird die Verbindung des Ventilraums zum Niederdruckraum bzw. einem Leckageanschluss, der eine Verbindung zu einem Niederdruckbereich aufweist, geschlossen. Der Steuerraum ist über eine Zulaufdrossel mit dem Hochdruckkanal und über eine Ablaufdrossel mit dem Ventilraum verbunden.
Weiterhin ist ein derartiges 3/2-Wege-Ventil aus der US 2012/0174893 A1 bekannt. Auch die Schriften US 6,789,753 B2 und DE 10 2005 059 437 A1 zeigen Steuerventile für Kraftstoffeinspritzventile, jedoch ohne einen zweiten Ventilsitz. Darüber hinaus sind aus den Schriften DE 103 01 698 A1 und DE 10 2004 049 288 A1 Verfahren zur Herstellung von Ventilsitzen bekannt.
Bei dem Steuerventil aus der DE 10 2008 001 330 A1 kommt es während des Einspritzvorganges, also bei geöffneter Stellung des Kraftstoffeinspritzventils, zu einer Durchströmung des Kraftstoffeinspritzventils von der Zulaufdrossel über den Steuerraum und die Ablaufdrossel in den Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzventils und dadurch zu einem hohen Wärmeeintrag in den Niederdruckraum und damit in das Rücklaufsystem und zu einer Verringerung der Effizienz des Kraftstoffeinspritzventils bzw. zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass während des Einspritzvorganges im Wesentlichen nur die Menge an Kraftstoff, die zur Druckerniedrigung im Steuerraum notwendig ist, in den Niederdruckraum abgeführt werden muss; die Zulaufdrossel ist während des Einspritzvorgangs vom Niederdruckraum entkoppelt. Dadurch erhöht sich die Effizienz des Kraftstoffeinspritzventils bei gleichzeitiger Verringerung des Wärmeeintrags in Aktor und Rücklaufsystem. Der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine wird somit verringert. Ebenso ist eine Steigerung des Einspritzdrucks möglich, ohne gleichzeitig die Kraftstoffverlustmengen stark zu erhöhen.
Dazu weist das Kraftstoffeinspritzventil einen Druckraum auf, in dem eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, wobei die Düsennadel durch ihre Längsbewegung mit einem Düsennadelsitz zusammenwirkt, wobei die Düsennadel durch den Druck in einem Steuerraum eine in Richtung des Düsennadelsitzes gerichtete Schließkraft erfährt. Weiter ist ein Steuerventil vorhanden, durch welches der Druck im Steuerraum einstellbar ist, wobei das Steuerventil einen in einem Ventilkörper ausgebildeten und über eine Ablaufdrossel mit dem Steuerraum verbundenen Ventilraum umfasst, in dem ein Ventilbolzen längsbewegbar angeordnet ist. Weiterhin umfasst das Kraftstoffeinspritzventil eine mit dem Steuerraum verbundene Zulaufdrossel und eine mit dem Druckraum verbundene Füllbohrung. Die Füllbohrung, die Zulaufdrossel und die Ablaufdrossel münden zumindest mittelbar in einen Verteilerraum. Durch den Verteilerraum ergibt sich ein zentraler Raum, über den an einer Stelle die Kraftstoffflüsse geschaltet werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils schließt der Ventilbolzen bei Anlage an einem ersten Ventilsitz die Verbindung zwischen dem Ventilraum und einem Niederdruckraum. Gleichzeitig gibt der Ventilbolzen den Verteilerraum frei und verbindet dadurch die Füllbohrung, die Zulaufdrossel und die Ablaufdrossel miteinander. Bei Anlage an einem zweiten Ventilsitz öffnet der Ventilbolzen die Verbindung zwischen dem Ventilraum und dem Niederdruckraum und verschließt gleichzeitig den Verteilerraum und trennt dadurch die Füllbohrung von der Zulaufdrossel und der Ablaufdrossel. Aufgrund des Entkoppelns der Zulaufdrossel durch den Ventilbolzen strömt während des Einspritzvorgangs kein Kraftstoff aus dem Druckraum in den Ventilraum nach, so dass der Verlust an verdichtetem Kraftstoff minimiert wird. Dadurch strömt während des Einspritzvorgangs auch weniger Kraftstoff durch den ersten Ventilsitz, weswegen der Sitzdurchmesser des ersten Ventilsitzes verringert werden kann und/oder der Hub des Ventilbolzens verringert werden kann und/oder der Einspritzdruck erhöht werden kann. Zusätzlich kann über die Auslegung von Füllbohrung, Zulaufdrossel und Ablaufdrossel das Schließverhalten und über die Auslegung der Ablaufdrossel das Öffnungsverhalten der Düsennadel bestimmt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Füllbohrung, die Zulaufdrossel und die Ablaufdrossel in einer Drosselplatte ausgebildet. Dadurch werden Füllbohrung, Zulaufdrossel und Ablaufdrossel in einer kompakten Anordnung gestaltet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verteilerraum in einer Führungsplatte ausgebildet. Dadurch kann eine gute Führung des Ventilbolzens im Verteilerraum erzielt werden.
Vorteilhafterweise ist der Ventilbolzen teilweise in einer in der Führungsplatte ausgebildeten Führungsbohrung geführt. Dadurch sind Führungsbohrung und Verteilerraum im gleichen Bauteil angeordnet und können innerhalb enger Toleranzen zueinander gefertigt werden, was zu einer guten, verschleißarmen Führung des Ventilbolzens einerseits und zu einer guten Dichtwirkung bei durch den Ventilbolzen verschlossenem Verteilerraum andererseits führt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind eine erste Verteilernut, eine zweite Verteilernut und eine dritte Verteilernut in der Führungsplatte radial ausgebildet, die alle in den Verteilerraum münden, wobei die erste Verteilernut mit der Füllbohrung, die zweite Verteilernut mit der Zulaufdrossel und die dritte Verteilernut mit der Ablaufdrossel zumindest mittelbar dauerhaft verbunden sind. Dadurch werden Füllbohrung, Zulaufdrossel und Ablaufdrossel in einfacher Fertigung hydraulisch mit dem Verteilerraum verbunden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Führungsplatte eine Verbindungsbohrung ausgebildet, die vom Ventilraum zur dritten Verteilernut führt. Dadurch ist eine schaltbare mittelbare Verbindung vom Steuerraum in den Niederdruckraum durch die Führungsplatte geführt; somit sind mehrere Funktionen in der Führungsplatte vereinigt, was eine Einsparung von Bauteilen bedeutet.
In einer vorteilhaften Ausführung ist zwischen der Drosselplatte und der Führungsplatte eine Angleichplatte angeordnet, an der der zweite Ventilsitz ausgebildet ist. Dadurch kann für den Ventilsitz ein anderes Material als für die Drosselplatte verwendet werden. Die Materialeigenschaften der Angleichplatte können so auf die Funktionen und Fertigbarkeit des zweiten Ventilsitzes abgestimmt werden und die Materialeigenschaften der Drosselplatte auf die Funktionen und Fertigbarkeit von Füllbohrung, Zulaufdrossel und Ablaufdrossel.
In einer vorteilhaften Ausführung sind in der Angleichplatte eine erste Bohrung, eine zweite Bohrung und eine dritte Bohrung ausgebildet, wobei führungsplattenseitig die erste Bohrung in die erste Verteilernut, die zweite Bohrung in die zweite Verteilernut und die dritte Bohrung in die dritte Verteilernut münden und wobei drosselplattenseitig die erste Bohrung in die Füllbohrung, die zweite Bohrung in die Zulaufdrossel und die dritte Bohrung in die Ablaufdrossel münden. Dadurch werden Füllbohrung, Zulaufdrossel und Ablaufdrossel in die ihnen zugeordneten Verteilernuten geführt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist im Ventilbolzen eine Längsbohrung ausgebildet, die zumindest mittelbar in den Ventilraum mündet. Dadurch wird beim Schließen der Düsennadel der Druck im Ventilraum sehr schnell an den Druck im Druckraum angeglichen. Weiterhin wird durch die Längsbohrung beim Abheben des Ventilbolzens vom zweiten Ventilsitz eine Adhäsion zwischen Ventilbolzen und zweitem Ventilsitz minimiert, die andernfalls größere Abhebekräfte auf den Ventilbolzen erfordern würde.
Vorteilhafterweise ist die Längsbohrung als zum Verteilerraum offene Sacklochbohrung ausgeführt, von der radiale Austrittsöffnungen in den Verteilerraum münden. Dadurch kann mit Hilfe einfacher Fertigung die Befüllungsfunktion der Längsbohrung für den Ventilraum umgesetzt werden. Gleichzeitig entfällt eine umständliche Abdichtung zwischen Ventilbolzen und erstem Ventilsitz, wie sie bei einer Durchgangsbohrung erforderlich wäre.
In einer vorteilhaften Ausführung wird bei Anlage des Ventilbolzens an den ersten Ventilsitz eine Verbindung der Längsbohrung zum Verteilerraum freigegeben und bei Anlage einer an dem Ventilbolzen ausgebildeten Stirnfläche an den zweiten Ventilsitz die Verbindung getrennt. Dadurch hat die Längsbohrung auf das Öffnungsverhalten der Düsennadel kaum einen Einfluss. Das Öffnungsverhalten der Düsennadel wird im Wesentlichen von der Ablaufdrossel bestimmt und ist dadurch robuster beherrschbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Angleichplatte aus einem Material mit vergleichsweise geringer Festigkeit bezüglich des Materials des Ventilbolzens, speziell mit vergleichsweise geringer Fließgrenze. Dadurch besteht der zweite Ventilsitz aus einem weniger festen Material als der Ventilbolzen und ist somit auch leichter plastifizierbar. Es ist damit möglich den zweiten Ventilsitz, genaugenommen die Angleichplatte im Bereich des zweiten Ventilsitzes, unter einem Kontaktdruck zum Ventilbolzen zu plastifizieren, wobei der Ventilbolzen nur rein elastisch beansprucht wird. Dadurch kann die Dichtheit, speziell auch die Dichtheit über die Lebensdauer, zwischen zweitem Ventilsitz und Ventilbolzen gesteigert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Steuerventil durch einen Piezo-Aktor angesteuert. Aufgrund der niedrigen Kraftstoffverlustmengen beim Absteuern des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs aus dem Steuerraum können applikationsabhängig viele Voreinspritzungen realisiert werden, die vorteilhaft durch einen Piezo-Aktor angesteuert werden.
Ein Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils nach Anspruch 1 für Brennkraftmaschinen zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck mit den Merkmalen:

– Der Ventilbolzen ist teilweise in einer in einer Führungsplatte ausgebildeten Führungsbohrung geführt.
– In der Führungsplatte sind eine erste Verteilernut, eine zweite Verteilernut und eine dritte Verteilernut radial ausgebildet, die alle in den Verteilerraum münden.
– Ein zweiter Ventilsitz ist an einem Bauteil ausgebildet, das aus einem Material mit vergleichsweise geringer Festigkeit bezüglich des Materials des Ventilbolzens, speziell mit vergleichsweise geringer Fließgrenze besteht.
– Der Ventilbolzen verschließt bei Anlage am zweiten Ventilsitz den Verteilerraum und trennt dadurch die Füllbohrung von der Zulaufdrossel und der Ablaufdrossel.

1) Zentrieren des Ventilbolzens in der Führungsbohrung der Führungsplatte, wobei eine am Ventilbolzen ausgebildete Stirnfläche im Verteilerraum angeordnet ist.
2) Anlegen des Ventilkörpers an die Führungsplatte.
3) Zentriertes Eindrücken der Stirnfläche in den zweiten Ventilsitz, wobei der zweite Ventilsitz im Kontaktbereich zur Stirnfläche plastifiziert wird.

Durch das dargestellte Herstellungsverfahren wird der zweite Ventilsitz in der Einbaulage im Bereich des Kontakts zum Ventilkolben plastifiziert. Der Dichtsitz wird so individuell an die Paarung Ventilkolben-Angleichplatte angepasst und etwaige Fertigungstoleranzen werden ausgeglichen. Die Dichtheit zwischen zweitem Ventilsitz und Ventilkolben während der Öffnungsstellung der Düsennadel ist dadurch optimiert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Herstellungsverfahrens, wobei die Füllbohrung, die Zulaufdrossel und die Ablaufdrossel in einer Drosselplatte ausgebildet sind und zwischen Drosselplatte und Führungsplatte eine Angleichplatte angeordnet ist, an der der zweite Ventilsitz (3.5) ausgebildet ist, umfasst folgenden abgeänderten Verfahrensschritt:

2) Verspannen von Ventilkörper (7), Führungsplatte (4), Angleichplatte (3) und Drosselplatte (2) in Einbaulage.

Zeichnungen
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil, wobei nur die wesentlichen Bereiche schematisch gezeigt sind.
2 zeigt schematisch das Steuerventil des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in einer ersten Stellung.
3 zeigt schematisch das Steuerventil des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in einer zweiten Stellung.
Beschreibung
1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil 100 im Längsschnitt. Das Kraftstoffeinspritzventil 100 weist einen Injektorkörper 10 und einen Düsenkörper 1 auf, die in Richtung eines Brennraums 110 einer Brennkraftmaschine unter Zwischenlage eines Ventilkörpers 7, einer Führungsplatte 4, einer Angleichplatte 3 und einer Drosselplatte 2 durch eine Spannmutter oder eine Verschraubung von Injektorkörper 10 und Düsenkörper 1 gegeneinander verspannt sind.
Im Düsenkörper 1 ist ein Druckraum 1.7 ausgebildet, in dem eine im Wesentlichen kolbenförmige Düsennadel 1.3 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 1.3 weist an ihrem dem Brennraum zugewandten Ende eine Dichtfläche auf, mit der sie mit einem am Düsenkörper 1 ausgebildeten Düsennadelsitz 1.5 zusammenwirkt. Stromabwärts des Düsennadelsitzes 1.5 gehen vom Druckraum 1.7 eine oder mehrere Einspritzöffnungen 1.6 ab, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils 100 direkt in den Brennraum 110 einer Brennkraftmaschine münden. Die Düsennadel 1.3 wird durch eine Schließfeder 1.4, die an einem Absatz der Düsennadel 1.3 angreift und über eine Hülse 1.2 gegen die Drosselplatte 2 vorgespannt ist, gegen den Düsennadelsitz 1.5 gepresst. Die Hülse 1.2 dient gleichzeitig der Führung der Längsbewegung der Düsennadel 1.3 und grenzt einen Steuerraum 1.1 vom Druckraum 1.7 ab.
Im Injektorkörper 10 ist ein Steuerventil 50 angeordnet, dass den Druck im Steuerraum 1.1 steuert. Das Steuerventil 50 umfasst einen ersten Ventilsitz 7.1 und einen zweiten Ventilsitz 3.5, sowie einen Ventilraum 7.2 und einen Verteilerraum 4.4 und einen längsbewegbaren Ventilbolzen 5.
Der erste Ventilsitz 7.1 ist am Ventilkörper 7 ausgebildet. Der Ventilbolzen 5 wird von einer im Ventilraum 7.2 angeordneten Ventilfeder 6, die sich an der Führungsplatte 4 abstützt, gegen den ersten Ventilsitz 7.1 gedrückt und wirkt mit dem ersten Ventilsitz 7.1 zusammen und öffnet und schließt dadurch eine Verbindung des im Ventilkörper 7 ausgebildeten Ventilraums 7.2 zu einem im Injektorkörper 10 ausgebildeten Niederdruckraum 10.1.
Der zweite Ventilsitz 3.5 ist an der Angleichplatte 3 ausgebildet. Eine am Ventilbolzen 5 ausgebildete Stirnfläche 5.3 wirkt mit dem zweiten Ventilsitz 3.5 zusammen und steuert dadurch die Verbindungen des in der Führungsplatte 4 ausgebildeten Verteilerraums 4.4.
Der Ventilbolzen 5 wird durch einen im Injektorkörper 10 angeordneten Aktor 8 mittelbar über einen ebenfalls im Injektorkörper 10 angeordneten Koppler 9 betätigt. Dazu wirkt der Koppler 9 auf ein Dichtelement 5.4 des Ventilkolbens 5. In der dargestellten Ausführung ist der Ventilbolzen 5 zweiteilig ausgeführt, so dass das Dichtelement 5.4 aus einem anderen Material als der restliche Ventilbolzen 5 bestehen kann und gegenüber dem restlichen Ventilbolzen 5 radial verschiebbar im Ventilraum 7.2 angeordnet ist, um mögliche Desachsierungen des Ventilbolzens 5 während des Hubs auszugleichen.
Ein Hochdruckkanal 10.2 führt durch den Injektorkörper 10, den Ventilkörper 7, die Führungsplatte 4, die Angleichplatte 3 und die Drosselplatte 2 und mündet in den Druckraum 1.7 und verbindet dadurch den Druckraum 1.7 mit einer nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckquelle, beispielsweise einem Common Rail.
Der Druckraum 1.7 ist über eine in der Drosselplatte 2 ausgebildete Füllbohrung 2.1 über eine in der Angleichplatte 3 ausgebildete erste Bohrung 3.1 und eine in der Führungsplatte 4 ausgebildete, radial verlaufende erste Verteilernut 4.1 mit dem Verteilerraum 4.4 verbunden.
Vom Verteilerraum 4.4 führen eine zweite Verteilernut 4.2 und eine dritte Verteilernut 4.3 radial ab, die ebenfalls in der Führungsplatte 4 ausgebildet sind. Die zweite Verteilernut 4.2 ist über eine in der Angleichplatte 3 ausgebildete zweite Bohrung 3.2 mit einer Zulaufdrossel 2.2 verbunden, die in den Steuerraum 1.1 mündet. Die dritte Verteilernut 4.3 ist über eine ebenfalls in der Angleichplatte 3 ausgebildete dritte Bohrung 3.3 mit einer Ablaufdrossel 2.3 verbunden, die auch in den Steuerraum 1.1 mündet. Die Zulaufdrossel 2.2 und die Ablaufdrossel 2.3 sind in der Drosselplatte 2 ausgebildet.
Der Ventilbolzen 5 ist in einer in der Führungsplatte 4 ausgebildeten Führungsbohrung 4.6 geführt und begrenzt den Verteilerraum 4.4, wobei der Verteilerraum 4.4 der Abschnitt der Führungsbohrung 4.6 ist, in den die drei Verteilernuten 4.1, 4.2 und 4.3 münden. Im Ventilbolzen 5 ist eine Längsbohrung 5.7 ausgebildet, die als zum Verteilerraum 4.4 offene Sacklochbohrung ausgeführt ist. Aus der Längsbohrung 5.7 führen am verteilerraumabgewandten Ende radial mehrere Austrittsöffnungen 5.8 in den Ventilraum 7.2. Die mit dem zweiten Ventilsitz 3.5 zusammenwirkende Stirnfläche 5.3 des Ventilbolzens 5 ist mit einer Fase 5.6 versehen, um die Dichtfläche zwischen Ventilsitz 3.5 und Ventilbolzen zu reduzieren und damit die Kontaktpressung und Dichtwirkung zu erhöhen. Die Fase 5.6 kann wie in der dargestellten Ausführungsform innen, also zur Längsbohrung 5.7 hin, oder außen ausgeführt sein.
Von der dritten Verteilernut 4.3 führt eine in der Führungsplatte 4 ausgebildete Verbindungsbohrung 4.5 in den Ventilraum 7.2, so dass dieser ständig über die Verbindungsbohrung 4.5, die dritte Verteilernut 4.3, die dritte Bohrung 3.3 und die Ablaufdrossel 2.3 mit dem Steuerraum 1.1 verbunden ist.
In einer alternativen Ausführungsform können die erste, zweite und dritte Verteilernut 4.1, 4.2 und 4.3 sowie der Verteilerraum 4.4 in der Angleichplatte 3 ausgebildet sein. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können die erste, zweite und dritte Verteilernut 4.1, 4.2 und 4.3 sowie der Verteilerraum 4.4 in der Drosselplatte 2 ausgebildet sein, wenn auf die Verwendung einer Angleichplatte 3 verzichtet wird.
2 und 3 zeigen schematisch die für das Steuerventil 50 relevanten hydraulischen Räume und Bohrungen sowie den Ventilbolzen 5. 2 zeigt die Stellung des Ventilkolbens 5 in Anlage am zweiten Ventilsitz 3.5, 3 zeigt die Stellung des Ventilkolbens 5 in Anlage am ersten Ventilsitz 7.1.
Die 2 und 3 zeigen die radiale bzw. sternenförmige Anordnung der drei Verteilernuten 4.1, 4.2 und 4.3 in der Führungsplatte 4 vom zylinderförmigen Verteilerraum 4.4 nach außen wegführend.
In 2 ragt der Ventilbolzen 5 in den Verteilerraum 4.4 und verschließt so die Verbindung der drei Verteilernuten 4.1, 4.2 und 4.3, während die Verbindung vom Ventilraum 7.2 in den Niederdruckraum 10.1 durch den Spalt zwischen dem ersten Ventilsitz 7.1 und dem Dichtelement 5.4 des Ventilkolbens 5 freigegeben ist. Die Verbindung der drei Verteilernuten 4.1, 4.2 und 4.3 wird dabei zum einen durch die Stirnfläche 5.3 des Ventilbolzens 5 und zum anderen durch eine zylindrische Mantelfläche 5.5 des Ventilbolzens 5 getrennt. Die Abdichtung zwischen Stirnfläche 5.3 und zweitem Ventilsitz 3.5 erfolgt durch eine Flächenpressung zwischen Stirnfläche 5.3 und zweitem Ventilsitz 3.5. Die Abdichtung zwischen Mantelfläche 5.5 und Führungsbohrung 4.6 erfolgt durch eine möglichst geringe Spalthöhe zwischen Mantelfläche 5.5 und Führungsbohrung 4.6 sowie eine möglichst große Spaltlänge a zwischen den einzelnen Verteilernuten 4.1, 4.2 und 4.3. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Spaltlängen a zwischen den drei Verteilernuten 4.1, 4.2 und 4.3 jeweils gleich lang sind; vielmehr steht die Abdichtung vom Druckraum 1.7 zum Steuerraum 1.1 im Vordergrund, so dass vorteilhafterweise die Spaltlängen von der ersten Verteilernut 4.1 zur zweiten und dritten Verteilernut 4.2 und 4.3 jeweils vergleichsweise groß ausgeführt sind und die Spaltlänge zwischen der zweiten und der dritten Verteilernut 4.2 und 4.3 vergleichsweise klein ausgeführt ist. Beispielsweise können die Verteilernuten 4.1, 4.2 und 4.3 radial so angeordnet werden, dass

– ein Winkel α zwischen erster Verteilernut 4.1 und zweiter Verteilernut 4.2 etwa 150°,
– ein Winkel β zwischen erster Verteilernut 4.1 und dritter Verteilernut 4.3 etwa 150° und
– ein Winkel γ zwischen zweiter Verteilernut 4.2 und dritter Verteilernut 4.3 etwa 60°

In 3 ragt der Ventilbolzen 5 nicht in die gesamte Führungsbohrung 4.6, sondern gibt den Verteilerraum 4.4 frei und verschließt durch Anlage am ersten Ventilsitz 7.1 die Verbindung vom Ventilraum 7.2 in den Niederdruckraum 10.1. Der Druckausgleich zwischen Druckraum 1.7 auf der einen und Steuerraum 1.1 und Ventilraum 7.2 auf der anderen Seite erfolgt so über den Verteilerraum 4.4 mit nur geringer Verzögerung, wodurch ein schnelles Schließen der Düsennadel 1.3 realisiert wird.
Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung ist der Ventilbolzen 5 mit seinem Dichtelement 5.4 in Anlage am ersten Ventilsitz 7.1, so dass der Ventilraum 7.2 vom Niederdruckraum 10.1 getrennt ist. Im Druckraum 1.7, im Steuerraum 1.1 und im Ventilraum 7.2 liegt ein hoher Kraftstoffdruck an, wie er auch im Hochdruckkanal 10.2 herrscht.
Durch den Kraftstoffdruck im Steuerraum 1.1 wird auf die düsennadelsitzabgewandte Stirnseite der Düsennadel 1.3 eine hydraulische Kraft in Richtung auf den Düsennadelsitz 1.5 ausgeübt, die die Düsennadel 1.3 gegen den Düsennadelsitz 1.5 drückt. Da die Düsennadel 1.3 in Anlage am Düsennadelsitz 1.5 ist, wird der Druckraum 1.7 gegen die Einspritzöffnungen 1.6 abgedichtet, so dass kein Kraftstoff aus dem Druckraum 1.7 in den Brennraum 110 der Brennkraftmaschine gelangen kann.
Soll eine Einspritzung erfolgen, wird mittels des Aktors 8 über den Koppler 9 der Ventilbolzen 5 vom ersten Ventilsitz 7.1 weg gegen die Kraft der Ventilfeder 6 und gegen die hydraulische Kraft in Anlage an den zweiten Ventilsitz 3.5 gedrückt. Dadurch wird zwischen dem Ventilbolzen 5 und dem ersten Ventilsitz 7.1 eine Verbindung aufgesteuert, die den Ventilraum 7.2 mit dem Niederdruckraum 10.1 verbindet. Durch die Bewegung des Ventilkolbens 5 bis zur Anlage am zweiten Ventilsitz 3.5 werden die Verteilernuten 4.1, 4.2 und 4.3 verschlossen bzw. deren Verbindung in den Verteilerraum 4.4. Damit ist die Kraftstoffzufuhr vom Druckraum 1.7 über die Füllbohrung 2.1, die erste und die zweite Verteilernut 4.1 und 4.2 und die Zulaufdrossel 2.2 in den Steuerraum 1.1 unterbrochen.
Der Druck im Steuerraum 1.1 wird abgebaut, indem unter Hochdruck stehender Kraftstoff aus dem Steuerraum 1.1 über die Ablaufdrossel 2.3, die dritte Bohrung 3.3, die dritte Verteilernut 4.3, die Verbindungsbohrung 4.5 und den Ventilraum 7.2 in den Niederdruckraum 10.1 fließt. Der sich im Steuerraum 1.1 abbauende Kraftstoffdruck führt zu einer verminderten hydraulischen Kraft auf die düsennadelsitzabgewandte Stirnfläche der Düsennadel 1.3, so dass die hydraulischen Kräfte, die durch den Druck im Druckraum 1.7 auf die Düsennadel 1.3 wirken, dazu führen, dass die Düsennadel 1.3 vom Düsennadelsitz 1.5 abhebt und sich entgegen der Kraft der Schließfeder 1.4 in Richtung des Steuerraums 1.1 bewegt. Hierdurch wird zwischen dem Düsennadelsitz 1.5 und der Düsennadel 1.3 ein Spalt aufgesteuert, durch den Kraftstoff aus dem Druckraum 1.7 zu den Einspritzöffnungen 1.6 fließt und durch die Einspritzöffnungen 1.6 in den Brennraum 110 der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Zur Beendigung der Einspritzung wird die Aktorkraft abgeschaltet und so der Ventilbolzen 5 mittels der Federkraft der Ventilfeder 6 zurück in Anlage an den ersten Ventilsitz 7.1 bewegt. Dadurch wird die Verbindung des Ventilraums 7.2 mit dem Niederdruckraum 10.1 unterbrochen. Gleichzeitig hebt die Stirnfläche 5.3 des Ventilbolzens 5 vom zweiten Ventilsitz 3.5 ab und gibt so den Verteilerraum 4.4 frei. Dadurch strömt unter Hochdruck stehender Kraftstoff vom Druckraum 1.7 über die Füllbohrung 2.1, die erste Bohrung 3.1 und die erste Verteilernut 4.1 in den Verteilerraum 4.4. Vom Verteilerraum 4.4 wird der Kraftstoff über vier Pfade in den Steuerraum 1.1 und den Ventilraum 7.2 verteilt:

1) Verteilerraum 4.4 → zweite Verteilernut 4.2 → zweite Bohrung 3.2 → Zulaufdrossel 2.2 → Steuerraum 1.1
2) Verteilerraum 4.4 → dritte Verteilernut 4.3 → dritte Bohrung 3.3 → Ablaufdrossel 2.3 → Steuerraum 1.1
3) Verteilerraum 4.4 → dritte Verteilernut 4.3 → Verbindungsbohrung 4.5 → Ventilraum 7.2
4) Verteilerraum 4.4 → Längsbohrung 5.7 → Austrittsöffnungen 5.8 → Ventilraum 7.2

Durch die Fase 5.6 der Stirnfläche 5.3 des Ventilbolzens 5 an der Austrittsöffnung der Längsbohrung 5.7 wird die Adhäsionskraft zwischen Ventilbolzen 5 und Angleichplatte 3 beim Abheben des Ventilbolzens 5 vom zweiten Ventilsitz 3.5 minimiert.
Durch das gleichzeitige Befüllen des Steuerraums 1.1 durch Zulaufdrossel 2.2 und Ablaufdrossel 2.3 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff erfolgt der Druckanstieg im Steuerraum 1.1 vergleichsweise schnell. Ebenso erfolgt eine schnelle Angleichung des Drucks im Ventilraum 7.2 an den Druckraum 1.7 durch die gleichzeitige Befüllung des Ventilraums 7.2 über die Längsbohrung 5.7 und die Verbindungsbohrung 4.5.
Mit zunehmendem Druck im Steuerraum 1.1 steigt auch die hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 1.3, so dass die Düsennadel 1.3 mit Unterstützung der Federkraft der Schließfeder 1.4 gegen den Düsennadelsitz 1.5 gedrückt wird und dadurch die Einspritzöffnungen 1.6 verschließt. Die Befüllung des Steuerraums 1.1 durch Zulaufdrossel 2.2 und Ablaufdrossel 2.3 führt somit zu einem schnellen Schließvorgang der Düsennadel 1.3.
Ein Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils 100 erzeugt am Steuerventil 50 bezüglich Dichtheit einen optimierten zweiten Ventilsitz 3.5. Dazu werden folgende Fertigungsschritte durchgeführt:

1) Zentrieren des Ventilbolzens 5 in der Führungsbohrung 4.6 der Führungsplatte 4, wobei die Stirnfläche 5.3 im Verteilerraum 4.4 angeordnet ist.
2) Anlegen des Ventilkörpers 7 an die Führungsplatte 4. Vorteilhafterweise werden dabei Düsenkörper 1, Drosselplatte 2, Angleichplatte 3, Führungsplatte 4, Ventilkörper 7 und Injektorkörper 10 verspannt, wobei Düsennadel 1.3, Schließfeder 1.4 und Hülse 1.2 im Druckraum 1.7 angeordnet sind, so dass sich die Einbaulage der 1 ergibt.
3) Zentriertes Eindrücken der Stirnfläche 5.3 in den zweiten Ventilsitz 3.5, wobei der zweite Ventilsitz 3.5 im Kontaktbereich zur Stirnfläche 5.3 plastifiziert wird. Das Eindrücken der Stirnfläche 5.3 in den zweiten Ventilsitz 3.5 kann beispielsweise erfolgen, indem eine äußere Kraft auf den im Injektorkörper angeordneten Koppler 9 und damit mittelbar auf den Ventilbolzen 5 aufgebracht wird, die in Richtung des zweiten Ventilsitzes 3.5 wirkt.

Vorteilhafterweise wird beim beschriebenen Herstellungsverfahren die Angleichplatte 3 im Bereich des zweiten Ventilsitzes 3.5 plastifiziert, nicht jedoch der Ventilbolzen 5 im Bereich seiner Stirnfläche 5.3. Dazu weist das Material der Angleichplatte 3 eine geringere Festigkeit, speziell eine geringere Fließgrenze, auf als das Material des Ventilbolzens 5. Die Fase 5.6 am Ventilkolben 5 unterstützt dabei die Plastifizierung der Angleichplatte 3 durch die Reduzierung der Kontaktfläche zwischen Stirnfläche 5.3 und zweitem Ventilsitz 3.5. Im Betrieb dient die Fase 5.6 während des Schließvorgangs des zweiten Ventilsitzes 3.5 dazu, dass der Ventilkolben 5 zentrisch in den zweiten Ventilsitz 3.5, der aufgrund der Plastifizierung eine leicht kegelförmige Sitzform aufweist, gedrückt wird.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil (100) für Brennkraftmaschinen zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck mit einem Druckraum (1.7), in dem eine Düsennadel (1.3) längsverschiebbar angeordnet ist, wobei die Düsennadel (1.3) durch ihre Längsbewegung mit einem Düsennadelsitz (1.5) zusammenwirkt und durch den Druck in einem Steuerraum (1.1) eine in Richtung des Düsennadelsitzes (1.5) gerichtete Schließkraft erfährt, und mit einem im Kraftstoffeinspritzventil (100) ausgebildeten Steuerventil (50), durch welches der Druck im Steuerraum (1.1) einstellbar ist, wobei das Steuerventil (50) einen in einem Ventilkörper (7) ausgebildeten und über eine Ablaufdrossel (2.3) mit dem Steuerraum (1.1) verbundenen Ventilraum (7.2) umfasst, in dem ein Ventilbolzen (5) längsbewegbar angeordnet ist, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (100) eine mit dem Steuerraum (1.1) verbundene Zulaufdrossel (2.2) und eine mit dem Druckraum (1.7) verbundene Füllbohrung (2.1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllbohrung (2.1), die Zulaufdrossel (2.2) und die Ablaufdrossel (2.3) in einen Verteilerraum (4.4) zumindest mittelbar münden, wobei der Verteilerraum (4.4) in einer Führungsplatte (4) ausgebildet ist und wobei in der Führungsplatte (4) eine erste Verteilernut (4.1), eine zweite Verteilernut (4.2) und eine dritte Verteilernut (4.3) radial ausgebildet sind, die alle in den Verteilerraum (4.4) münden, wobei die erste Verteilernut (4.1) mit der Füllbohrung (2.1), die zweite Verteilernut (4.2) mit der Zulaufdrossel (2.2) und die dritte Verteilernut (4.3) mit der Ablaufdrossel (2.3) zumindest mittelbar dauerhaft verbunden sind.
Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (5) bei Anlage an einem ersten Ventilsitz (7.1) die Verbindung zwischen dem Ventilraum (7.2) und einem Niederdruckraum (10.1) schließt und den Verteilerraum (4.4) freigibt und dadurch die Füllbohrung (2.1), die Zulaufdrossel (2.2) und die Ablaufdrossel (2.3) miteinander verbindet, und bei Anlage an einem zweiten Ventilsitz (3.5) die Verbindung zwischen dem Ventilraum (7.2) und dem Niederdruckraum (10.1) öffnet und den Verteilerraum (4.4) verschließt und dadurch die Füllbohrung (2.1) von der Zulaufdrossel (2.2) und der Ablaufdrossel (2.3) trennt.
Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllbohrung (2.1), die Zulaufdrossel (2.2) und die Ablaufdrossel (2.3) in einer Drosselplatte (2) ausgebildet sind.
Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (5) teilweise in einer in der Führungsplatte (4) ausgebildeten Führungsbohrung (4.6) geführt ist.
Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Führungsplatte (4) eine Verbindungsbohrung (4.5) ausgebildet ist, die vom Ventilraum (7.2) zur dritten Verteilernut (4.3) führt.
Kraftstoffeinspritzventil (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Drosselplatte (2) und der Führungsplatte (4) eine Angleichplatte (3) angeordnet ist, an der der zweite Ventilsitz (3.5) ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilbolzen (5) eine Längsbohrung (5.7) ausgebildet ist, die zumindest mittelbar in den Ventilraum (7.2) mündet.
Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anlage des Ventilbolzens (5) an den ersten Ventilsitz (7.1) eine Verbindung der Längsbohrung (5.7) zum Verteilerraum (4.4) freigegeben wird und bei Anlage einer an dem Ventilbolzen (5) ausgebildeten Stirnfläche (5.3) an den zweiten Ventilsitz (3.5) die Verbindung getrennt wird.
Kraftstoffeinspritzventil (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Angleichplatte (3) aus einem Material mit vergleichsweise geringer Festigkeit bezüglich des Materials des Ventilbolzens (5), speziell mit vergleichsweise geringer Fließgrenze besteht.
Kraftstoffeinspritzventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (50) durch einen Piezo-Aktor (8) angesteuert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffeinspritzventils (100) nach Anspruch 1, wobei – der Ventilbolzen (5) teilweise in einer in einer Führungsplatte (4) ausgebildeten Führungsbohrung (4.6) geführt ist, – und ein zweiter Ventilsitz (3.5) an einem Bauteil ausgebildet ist, das aus einem Material mit vergleichsweise geringer Festigkeit bezüglich des Materials des Ventilbolzens, speziell mit vergleichsweise geringer Fließgrenze besteht, – und der Ventilbolzen (5) bei Anlage am zweiten Ventilsitz (3.5) den Verteilerraum (4.4) verschließt und dadurch die Füllbohrung (2.1) von der Zulaufdrossel (2.2) und der Ablaufdrossel (2.3) trennt, durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: 1) Zentrieren des Ventilbolzens (5) in der Führungsbohrung (4.6) der Führungsplatte (4), wobei eine am Ventilbolzen (5) ausgebildete Stirnfläche (5.3) im Verteilerraum (4.4) angeordnet ist. 2) Anlegen des Ventilkörpers (7) an die Führungsplatte (4). 3) Zentriertes Eindrücken der Stirnfläche (5.3) in den zweiten Ventilsitz (3.5), wobei der zweite Ventilsitz (3.5) im Kontaktbereich zur Stirnfläche (5.3) plastifiziert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffeinspritzventils (100) nach Anspruch 11, wobei die Füllbohrung (2.1), die Zulaufdrossel (2.2) und die Ablaufdrossel (2.3) in einer Drosselplatte (2) ausgebildet sind und zwischen Drosselplatte (2) und Führungsplatte (4) eine Angleichplatte (3) angeordnet ist, an der der zweite Ventilsitz (3.5) ausgebildet ist, durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: 1) Zentrieren des Ventilbolzens (5) in der Führungsbohrung (4.6) der Führungsplatte (4), wobei eine am Ventilbolzen (5) ausgebildete Stirnfläche (5.3) im Verteilerraum (4.4) angeordnet ist. 2) Verspannen von Ventilkörper (7), Führungsplatte (4), Angleichplatte (3) und Drosselplatte (2) in Einbaulage. 3) Zentriertes Eindrücken der Stirnfläche (5.3) in den zweiten Ventilsitz (3.5), wobei der zweite Ventilsitz (3.5) im Kontaktbereich zur Stirnfläche (5.3) plastifiziert wird.