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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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In der
1 ist beispielhaft eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffeinspritzvorrichtung gezeigt, bei der ein in einer Aufnahmebohrung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine eingebautes Brennstoffeinspritzventil vorgesehen ist. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung eignet sich besonders für den Einsatz in Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Das Ventil weist ein Ventilgehäuse auf, das u.a. einen einen Ventilsitzkörper aufnehmenden und mit dem Ventilsitzkörper fest verbundenen Ventilsitzträger umfasst. Mit dem Ventilsitzkörper wirkt ein Ventilschließkörper zu einem Dichtsitz zusammen. Der Ventilsitzkörper ist typischerweise eine Kugel, z.B. eine Kugellagerkugel, die an einem massiven Ventilnadelschaft z.B. mittels Schweißen befestigt ist. Zusammen bilden der Ventilsitzkörper und der Ventilnadelschaft eine axial bewegliche Ventilnadel, die u.a. im Bereich des kugelförmigen Ventilschließkörpers ihre untere Führung besitzt (z.B.
DE 10 2005 052 255 A1 oder
DE 100 55 513 A1 ).
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Bekannt ist es ebenso bereits aus der
DE 101 08 945 A1 , eine Ventilnadel in einem Brennstoffeinspritzventil für eine Brennstoffeinspritzanlage von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen vorzusehen, bei der an einem hohlen Ventilnadelschaft eine Kugel als Ventilschließkörper befestigt ist.
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Außerdem ist aus der
DE 10116 186 A1 bereits bekannt, eine Ventilnadel als massive stangenförmige, einen weitgehend kreisförmigen Querschnitt aufweisende Ventilnadel auszubilden, die an ihrem stromabwärtigen Ende einen Ventilschließabschnitt aufweist, der aus der Stange unmittelbar mit hervorgeht. Dieser beispielsweise kugelig oder teilweise kugelförmig bzw. abgerundet ausgebildete oder sich keglig verjüngende Ventilschließabschnitt wirkt in bekannter Weise mit der im Ventilsitzelement vorgesehenen Ventilsitzfläche zusammen. Die untere Führung der Ventilnadel wird im Bereich eines Zylinderabschnitts der stangenförmigen Ventilnadel realisiert.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil zum Zumessen eines Fluids mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es für höhere Fluiddrücke trotz reduzierter geometrischer Dimensionierung einsetzbar ist. In vorteilhafter Weise ist die Geometrie der Ventilnadel an ihrem stromabwärtigen Ende derart optimiert, dass ein geringer Führungsdurchmesser der Ventilnadel erzielt ist, hydraulische Belastungen im Dichtsitzbereich reduziert sind oder eine größere Wandstärke des Ventilsitzkörpers im Bereich der Führung erlaubt ist und keine zusätzlichen Fügeschritte bei ihrer Herstellung benötigt werden.
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Um diese Vorteile zu erreichen, ist erfindungsgemäß dazu zwischen dem zylindrischen Ventilnadelschaft und dem Ventilschließabschnitt der Führungsabschnitt mit einer zylindrischen Außenkontur sehr kurzer axialer Länge einteilig mit dem Ventilnadelschaft und dem Ventilschließabschnitt zusammen ausgeformt.
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Durch diese geometrische Auslegung wird die Hertzsche Pressung der Ventilnadel an der Ventilsitzfläche gegenüber bekannter kugeliger Ventilschließkörperlösungen reduziert. Auf diese Weise sind wiederum höhere Einspritzdrücke realisierbar. So können z.B. Kundenforderungen bei der Direkteinspritzung von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Fluiddrücken von > 350 bar bis zu 500 - 600 bar umgesetzt werden. In vorteilhafter Weise können Ventilsitzkörper mit kleinerem Außendurchmesser eingesetzt werden, so dass auch die Durchmesser der Zylinderkopfbohrungen für die Ventile verkleinert werden können. Alternativ können aber auch Ventilsitzkörper mit größerer radialer Wandstärke bei vorgegebenem Außendurchmesser realisiert werden, die die Druckstabilität und die Robustheit gegenüber Korrosion erhöhen.
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In vorteilhafter Weise liegt aufgrund der auf einen Drehpunkt M gelegte Mittelpunkt der gedachten Kugel mit dem Durchmesser D3, den die sphärisch ausgeformte Dichtsitzfläche besitzt, auf der Mittelachse des Ventilnadelschaftes mittig im axial kurzen Führungsabschnitt.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
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Aufgrund seiner Ausgestaltung dichtet der Ventilschließabschnitt kardanisch gegen die Ventilsitzfläche ab. Da der Durchmesser D2 des Führungsabschnitts unabhängig von der Größe des Durchmessers D3 der Dichtsitzfläche ist, kann der Führungsdurchmesser, der D2 entspricht, in vorteilhafter Weise kleiner als bei bekannten Lösungen ausgeführt werden. Toleranzbedingte Schrägstellungen der Ventilnadel können durch leichte Verdrehung bzw. Verkippung der Ventilnadel um den oben genannten Drehpunkt M ausgeglichen werden. Bei einer Schrägstellung der Ventilnadel kommt es in vorteilhafter Weise zu keiner Änderung des Dichtdurchmessers D4, und der Ventilschließabschnitt dichtet über den gesamten Umfang auf der Ventilsitzfläche ab.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 einen schematischen Schnitt durch ein Brennstoffeinspritzventil in einer bekannten Ausgestaltung mit einem Abspritzöffnungen aufweisenden Ventilsitzkörper am stromabwärtigen Ventilende und
- 2 das abströmseitige Ventilende in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Ventilnadel im Bereich von unterer Führung und Ventilschließabschnitt als Ausschnitt II von 1 in einer vergrößerten Darstellung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Ein in 1 dargestelltes bekanntes Beispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht näher dargestellten Brennraum 25 einer Brennkraftmaschine. Allgemein ist die Erfindung anwendbar bei Ventilen zum Zumessen eines Fluids.
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Mit einem stromabwärtigen Ende ist das Brennstoffeinspritzventil 1 in eine Aufnahmebohrung 20 eines Zylinderkopfes 9 eingebaut. Ein Dichtring 2, insbesondere aus PTFE oder PTFE mit Füllstoffen, sorgt für eine optimale Abdichtung des Brennstoffeinspritzventils 1 gegenüber der Wandung der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist an seinem zulaufseitigen Ende 3 eine Steckverbindung zu einer nicht gezeigten Brennstoffverteilerleitung auf, die durch einen Dichtring 5 zwischen einem Anschlussstutzen der Brennstoffverteilerleitung und einem Zulaufstutzen 7 des Brennstoffeinspritzventils 1 abgedichtet ist. Das Brennstoffeinspritzventil 1 verfügt über einen elektrischen Anschlussstecker 8 für die elektrische Kontaktierung zur Betätigung des Brennstoffeinspritzventils 1.
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Zwischen einem Ventilgehäuse 22 und einer z.B. rechtwinklig zur Längserstreckung der Aufnahmebohrung 20 verlaufenden Schulter 23 der Aufnahmebohrung 20 ist z.B. ein Entkopplungselement 24 eingelegt, das dem Ausgleich von Fertigungs- und Montagetoleranzen dient und eine querkraftfreie Lagerung auch bei leichter Schiefstellung des Brennstoffeinspritzventils 1 sicherstellt. Außerdem erfolgt damit eine optimierte Geräuschentkopplung. Das Entkopplungselement 24 ist z.B. mittels einer Sicherungsscheibe 39 gesichert.
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Das Ventilgehäuse 22 des Brennstoffeinspritzventils 1 wird u.a. durch den Zulaufstutzen 7, aber auch von einem Düsenkörper 10 gebildet, in welchem eine Ventilnadel 11 angeordnet ist. Die Ventilnadel 11 steht bei einer solchen typischen und üblichen Ausführung mit einem kugelförmigen Ventilschließkörper 12 in Wirkverbindung, indem er an einem stangenförmigen Ventilnadelschaft 19 durch Schweißen fest verbunden ist. Der Ventilschließkörper 12 wirkt mit einer an einem Ventilsitzkörper 13 angeordneten Ventilsitzfläche 14 zu einem Dichtsitz zusammen. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1, welches über wenigstens eine Abspritzöffnung 4 verfügt, typischerweise aber wenigstens zwei Abspritzöffnungen 4 aufweist. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist jedoch idealerweise als Mehrloch-Einspritzventil ausgeführt und hat deshalb zwischen vier und dreißig Abspritzöffnungen 4.
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Als Antrieb dient z.B. ein elektromagnetischer Kreis, der eine Magnetspule 15 als Aktuator umfasst, die in einem Spulengehäuse gekapselt und auf einen Spulenträger gewickelt ist, welcher einen Innenpol 16 umgibt. Zu dem elektroamagnetischen Kreis gehört weiterhin ein Anker 17, der auf der Ventilnadel 11 angeordnet ist. Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 17 von einer Rückstellfeder 18 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, dass der Ventilschließkörper 12 an der Ventilsitzfläche 14 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 15 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 17 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 18 in Hubrichtung bewegt. Der Anker 17 nimmt die Ventilnadel 11 ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 11 in Verbindung stehende Ventilschließkörper 12 hebt von der Ventilsitzfläche 14 ab, und der Brennstoff wird durch die Abspritzöffnungen 4 abgespritzt.
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Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 17 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 18 vom Innenpol 16 ab, wodurch sich die Ventilnadel 11 entgegen der Hubrichtung bewegt. Dadurch setzt der Ventilschließkörper 12 auf der Ventilsitzfläche 14 auf, und das Brennstoffeinspritzventil 1 wird geschlossen.
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Bei dieser Ausführung der Brennstoffeinspritzvorrichtung handelt es sich um ein System für die Benzindirekteinspritzung mit Brennstoffeinspritzventilen 1, die, wie gezeigt, mit einem elektromagnetischen Aktuator, aber auch mit Piezoaktoren betrieben und z.B. in einem Konstantdrucksystem eingesetzt werden.
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Die axial bewegliche Ventilnadel 11 besitzt ihren unteren Führungsbereich im Bereich des kugelförmigen Ventilschließkörpers 12 entlang einer zylindrischen Wandung der zentralen Öffnung des Ventilsitzkörpers 13. Der Führungsdurchmesser ist dabei vergleichsweise groß, da der kugelförmige Ventilschließkörper 12 einen größeren Durchmesser besitzt als den des massiven Ventilnadelschaftes 19. Diese Dimensionierung bedingt wiederum einen vergleichsweise großen Durchmesser des Dichtsitzes sowie des Außendurchmessers des Ventilsitzkörpers 13, so dass eine hohe hydraulische Belastung des Dichtsitzes vorliegt. Bei einer solchen bekannten Lösung ist es zudem besonders wichtig, darauf zu achten, dass der Ventilnadelschaft 19 und der Ventilschließkörper 12 exakt koaxial zueinander verschweißt werden. Diese Dimensionierung bedingt auch eine vergleichsweise kleine Wandstärke des Ventilsitzkörpers 13 im Bereich der Führung bei vorgegebenem Außendurchmesser des Ventilgehäuses bzw. Düsenkörpers 10.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine an ihrem stromabwärtigen Ende in ihrer Geometrie optimierte Ventilnadel 11 für ein Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere eines Brennstoffeinspritzventils bereitzustellen, die geringere Führungsdurchmesser erlaubt und durch die sich reduzierte hydraulische Belastungen im Dichtsitzbereich oder eine größere Wandstärke am Ventilsitzkörper 13 ermöglichen lassen und die keine zusätzlichen Fügeschritte bei ihrer Herstellung benötigt.
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2 zeigt das abströmseitige Ventilende in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung als Ausschnitt II von 1 in einer vergrößerten Darstellung. Dabei ist ersichtlich, dass der Ventilnadelschaft 19 an seinem stromabwärtigen Ende einteilig in einen Ventilschließabschnitt 21 übergeht, wobei zwischen dem mit konstantem Durchmesser ausgebildeten zylindrischen Ventilnadelschaft 19 und dem Ventilschließabschnitt 21 ein eine zylindrische Außenkontur aufweisender, axial kurzer Führungsabschnitt 30 ausgeformt ist.
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Die 2 verdeutlicht die Ausformung von z.B. ein bis fünf, insbesondere drei als Durchflusstaschen dienende Ausnehmungen 31, die nutförmig, axial verlaufend in der inneren Öffnung des Ventilsitzkörpers 13 ausgebildet sind, um das ungehinderte Durchströmen des abzugebenden Fluids bis zur Ventilsitzfläche 14 zu gewährleisten. Die Ausnehmungen 31 sind dabei umfänglich, in idealer Weise gleichverteilt über den Umfang der inneren Öffnung des Ventilsitzkörpers 13 angeordnet. Zwischen den Ausnehmungen 31 befinden sich über den Umfang betrachtet jeweils zylindrische Wandungsbereiche aufweisende Führungsbereiche des Ventilsitzkörpers 13, an denen die Ventilnadel 11 während ihrer Axialbewegung auf Höhe des kurzen zylindrischen Führungsabschnitts 30 geführt wird.
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Außerdem zeigt 2 die erfindungsgemäß ausgestaltete Ventilnadel 11 im Bereich von unterer Führung mit dem Führungsabschnitt 30 und Ventilschließabschnitt 21. Vom Anker 17 ausgehend verläuft der zylindrische Ventilnadelschaft 19 der Ventilnadel 11 in Richtung zum Ventilschließabschnitt 21 hin weitgehend mit einem konstanten Durchmesser D1. Am Nadelende folgt auf diesen konstantzylindrischen Abschnitt eine geringfügige Verjüngung, die konisch angeschrägt beginnt, z.B. einen zylindrischen Verjüngungsabschnitt darauffolgend hat und die sich danach konisch erweiternd fortsetzt. Daran schließt sich unmittelbar der zylindrische Führungsabschnitt 30 an, auf den in stromabwärtiger Richtung ein konisch sich verjüngender Schaftbereich folgt und sich wiederum der einteilig mitausgeformte Ventilschließabschnitt 21 anschließt, der z.B. zylindrisch ausgeführt ist.
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Der Führungsabschnitt 30 weist eine zylindrische Außenkontur mit einer geringen axialen Länge auf, die nur zwischen 0,02 mm und 0,3 mm liegt, insbesondere ca. 0,05 mm bis 0,1 mm beträgt. Der Ventilnadelschaft 19 hat im Bereich des Führungsabschnitts 30 einen Durchmesser D2. Der Führungsabschnitt 30 dient der unteren Führung der Ventilnadel 11 im Ventilsitzkörper 13.
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Der einteilig mitausgeformte Ventilschließabschnitt 21 besitzt einen Außendurchmesser D5. In einem Abschnitt bis zur Ventilsitzfläche 14 hin ist der Ventilschließabschnitt 21 mit einem konstanten Außendurchmesser D5 versehen, so dass dieser Abschnitt zylindrisch verläuft. Zwischen dem zylindrischen Bereich mit dem Durchmesser D5 und dem Sitzbereich des Ventilschließabschnitts 21 kann ein Übergang in Form einer Fase oder eines Radius ausgeführt sein. Mit der kegelig ausgeführten Ventilsitzfläche 14 wirkt eine Dichtsitzfläche 28 des Ventilschließabschnitts 21 zum Dichtsitz zusammen, die sphärisch ausgeführt ist, und zwar mit einem Durchmesser D3. Erfindungsgemäß befindet sich der Mittelpunkt M der gedachten Kugel mit dem Durchmesser D3 in einem Punkt auf der Mittelachse des Ventilnadelschaftes 19 wenigstens annähernd im axial kurzen Führungsabschnitt 30, in idealer Weise genau mittig im axial kurzen Führungsabschnitt 30. Die Dichtsitzlinie zwischen Ventilsitzfläche 14 und Dichtsitzfläche 28 verläuft auf einem Durchmesser D4.
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Aufgrund seiner Ausgestaltung dichtet der Ventilschließabschnitt 21 kardanisch gegen die Ventilsitzfläche 14 ab. Da der Durchmesser D2 unabhängig von der Größe des Durchmessers D3 ist, kann der Führungsdurchmesser, der D2 entspricht, in vorteilhafter Weise kleiner als bei bekannten Lösungen ausgeführt werden. Toleranzbedingte Schrägstellungen der Ventilnadel 11 können durch leichte Verdrehung bzw. Verkippung der Ventilnadel 11 um den oben genannten Drehpunkt M ausgeglichen werden. Bei einer Schrägstellung der Ventilnadel 11 kommt es in vorteilhafter Weise zu keiner Änderung des Dichtdurchmessers D4, und die Ventilnadel liegt mit ihrem Ventilschließabschnitt 21 dennoch umfänglich auf dem Durchmesser D4 am Ventilsitzkörper 13 auf. Aus Fertigungs- und Montagegründen sowie aus Gründen einer optimierten Abdichtung im Dichtsitz soll gelten: D1 >= D2; speziell auch D1 >= D2 > D5. Insbesondere lässt sich so der Führungsabschnitt 30 in seiner zylindrischen Ausformung besser durch z.B. Durchlaufschleifen bearbeiten. Beispielhaft sollen praktische Größenangaben im Folgenden genannt sein: D1 = 1,9 mm; D2 = 1,9 mm; D3 = 3 mm; D4 = 1,5 mm; D5 = 1,7 mm. Diese Größenangaben sollen nur die Relationen zueinander ungefähr andeuten; Abweichungen von den konkreten Maßen sind denkbar. Diese Maßangaben beschränken die Erfindung insofern in keiner Weise.-
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Durch diese geometrische Auslegung kann die Wandstärke des Ventilsitzkörpers 13 im Bereich der Führung größer gestaltet werden. Auf diese Weise sind wiederum höhere Einspritzdrücke realisierbar, und es gibt eine erhöhte Stabilität gegenüber Korrosion, die ansonsten von außen und von innen am Ventilsitzkörper 13 angreifen könnte. So können z.B. auch Kundenforderungen bei der Direkteinspritzung von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Fluiddrücken von > 350 bar bis zu 500 - 600 bar umgesetzt werden. In vorteilhafter Weise können Ventilsitzkörper 13 mit kleinerem Außendurchmesser eingesetzt werden, so dass auch die Durchmesser der Zylinderkopfbohrungen für die Ventile 1 verkleinert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005052255 A1 [0002]
- DE 10055513 A1 [0002]
- DE 10108945 A1 [0003]
- DE 10116186 A1 [0004]
