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Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil
aus, wie es der Gattung des Patentanspruchs 1 entspricht. Aus der
WO 96/19661 ist ein solches Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das
einen Ventilkörper
mit einer darin ausgebildeten Bohrung aufweist. Am brennraumseitigen
Ende der Bohrung ist ein konischer Ventilsitz ausgebildet, und es
befindet sich dort wenigstens eine Einspritzöffnung, durch die der Ventilsitz
mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbunden ist. In der Bohrung
ist eine kolbenförmige
Ventilnadel längsverschiebbar
angeordnet, die mit dem Ventilsitz so zur Steuerung der wenigstens
einen Einspritzöffnung
zusammenwirkt, dass bei Anlage der Ventilnadel auf dem Ventilsitz
die Einspritzöffnungen
verschlossen werden, während bei
vom Ventilsitz abgehobener Ventilnadel Kraftstoff aus einem Druckraum
den Einspritzöffnungen
zufließen
kann. Das brennraumseitige Ende der Ventilnadel weist zwei Konusflächen auf,
wobei die erste Konusfläche
einen Öffnungswinkel
aufweist, der kleiner ist als der Öffnungswinkel des Ventilsitzes.
Stromabwärts
der ersten Konusfläche
ist an der Ventilnadel eine zweite Konusfläche ausgebildet, die einen Öffnungswinkel
aufweist, der größer als
der Öffnungswinkel
des Ventilsitzes ist. Darüber
hinaus ist zwischen den beiden Konusflächen eine Ringnut ausgebildet,
deren bezüglich
des Kraftstoffstroms zu den Einspritzöffnungen stromaufwärts gelegene
Kante, die an die erste Konusfläche
grenzt, bei Anlage der Ventilnadel am Ventilsitz als Dichtkante
dient.
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Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil
weist hierbei jedoch den Nachteil auf, dass sich der Öffnungsdruck,
also der Kraftstoffdruck, bei dem die Ventilnadel eine genügend große, hydraulische
Kraft erfährt,
um gegen eine Schließkraft
vom Ventilsitz abzuheben, mit der Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils ändert. Bei
einem neuen Kraftstoffeinspritzventil strömt zu Beginn der Öffnungshubbewegung,
wenn die Ventilnadel erst einen kleinen Hub durchfahren hat, Kraftstoff
an der Dichtkante vorbei in die Ringnut. Da ein Weiterfließen an der
stromabwärts
gelegenen Kante der Ringnut vorbei zu den Einspritzöffnungen
ohne weiteres möglich
ist, kommt es in der Ringnut zu keinem nennenswerten Druckanstieg
und damit zu keiner zusätzlichen
hydraulischen Kraft auf die Ventilnadel. Im Laufe der Lebensdauer
des Kraftstoffeinspritzventils wird die Dichtkante etwas in den
Ventilsitz eingehämmert,
so dass sich auch die stromabwärtige
Kante der Ringnut näher
am Ventilsitz befindet und schließlich sogar in Schließstellung
der Ventilnadel am Ventilsitz aufliegt. Beim Öffnen der Ventilnadel strömt nun,
sobald die Dichtkante vom Ventilsitz abgehoben hat, Kraftstoff in die
Ringnut, kann von dort aber nur gedrosselt an der stromabwärtigen Kante
der Ringnut vorbei zu den Einspritzöffnungen weiterfließen. Es
kommt deshalb zu einem Druckanstieg in der Ringnut und damit zu einer
zusätzlichen Öffnungskraft
auf die Ventilnadel. Erst bei vollem Hub der Ventilnadel kann der
Kraftstoff nahezu ungedrosselt den Einspritzöffnungen zufließen. Durch
diese zusätzliche Öffnungskraft
wird der Öffnungsdruck
abgesenkt und die Öffnungsdynamik
der Ventilnadel ändert
sich. Hierdurch wird es erschwert, weiterhin eine präzise Einspritzung
von Menge und Zeitpunkt vorzunehmen, was bei modernen, schnelllaufenden
Brennkraftmaschinen unerlässlich
ist.
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Aus der
DE 36 05 082 A1 ist ein
Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem die Ventilnadel eine konische
Ventildichtfläche
an ihrem brennraumseitigen Ende aufweist. In der konischen Ventildichtfläche ist
eine Ringnut ausgebildet, von der eine Querbohrung und die Querbohrung
schneidend eine Längsbohrung
abgeht, so dass die Ringnut mit der brennraumseitigen Endfläche der
Ventilnadel verbunden wird. Bei diesem Kraftstoffeinspritzventil
ist jedoch nur eine einzige Dichtfläche der Ventilnadel vorgesehen,
die mit ihrer gesamten Fläche
auf dem Ventilsitz aufsitzt, so dass sich dort ein entsprechendes
Problem mit variierendem Öffnungsdruck
nicht auftreten kann.
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass die Öffnungsdynamik
des Kraftstoffeinspritzventils während
der gesamten Lebensdauer konstant bleibt. Durch einen in der Ventilnadel
verlaufenden Kanal ist die Ringnut mit der Außenfläche der Ventilnadel stromabwärts der
Ringnut verbunden, so dass ein sich in der Ringnut aufbauender Druck über diesen
Kanal abgeführt
wird. Hierdurch bleibt die Öffnungsdynamik
des Einspritzventils stets dieselbe.
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Durch die Unteransprüche sind
vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung möglich.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung verläuft der
Kanal in einem schiefen Winkel zur Längsachse der Ventilnadel und
die zweite Konusfläche
mündet.
Solch ein Kanal ist einfach herzustellen und es lassen sich problemlos
mehrere sol cher Kanäle über den
Umfang der Ventilnadel verteilt anbringen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist
der Kanal durch eine Querbohrung und eine diese schneidende Längsbohrung
gebildet, wobei die Längsbohrung
in die Stirnfläche
der Ventilnadel mündet.
Eine solche Verbindung ergibt einen weitgehend ungedrosselten Fluss
von Kraftstoff aus der Ringnut in das Reservoirvolumen, so dass
auch ein leichter Druckaufbau in der Ringnut wirksam unterdrückt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnung
entnehmbar.
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In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
dargestellt. Es zeigt
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1 ein
Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt, 2 eine Vergrößerung des
mit II bezeichneten Ausschnitts von 1 im
Bereich des Ventilsitzes, wobei die linke und die rechte Seite zwei
unterschiedliche Ausgestaltungen des Ventilsitzes darstellen,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des brennraumseitigen Endes der Ventilnadel und des Ventilsitzes,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Ventilnadel
und
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5a und 5b weitere Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäßen Ventilnadeln.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt. In einem Ventilkörper 1 ist
eine Bohrung 3 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen
Ende von einem konischen Ventilsitz 9 begrenzt wird. Vom
Ventilsitz 9 geht wenigstens eine Einspritzöffnung 11 ab
und mündet
in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum der
Brennkraftmaschine. In der Bohrung 10 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar
angeordnet, die mit einem Führungsabschnitt 15 in
einem brennraumabgewandten Abschnitt der Bohrung 3 geführt ist
und eine Längsachse 7 aufweist.
Die Ventilnadel 5 verjüngt
sich, ausgehend vom Führungsabschnitt 15,
dem Brennraum zu unter Bildung einer Druckschulter 13 und
geht an ihrem brennraumseitigen Ende in eine Ventildichtfläche 12 über, die
mit dem Ventilsitz 19 zur Steuerung der wenigstens einen
Einspritzöffnung 11 zusammenwirkt.
Zwischen der Bohrung 3 und der Ventilnadel 5 ist
ein Druckraum 19 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 13 radial
erweitert ist. In die radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet ein
im Ventilkörper 1 verlaufender
Zulaufkanal 25, über
den der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist.
Bei Kraftstoffeinspritzsystemen, die nach dem sogenannten Common-Rail-Prinzip
arbeiten, liegt im Druckraum 19 ständig ein hoher Kraftstoffdruck
an. Durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 19 ergibt sich
eine hydraulische Kraft auf die Ventilnadel 5 durch Beaufschlagung
der Druckschulter 13 und Teile der Ventildichtfläche 12.
Dieser hydraulischen Öffnungskraft
ist eine Schließkraft
entgegen gerichtet, die durch eine, in der Zeichnung nicht dargestellte,
Vorrichtung auf das brennraumseitige Ende der Ventilnadel 5 ausgeübt wird.
Die Bewegung der Ventilnadel 5 in der Bohrung 3 erfolgt
dadurch, dass die Schließkraft
reduziert wird. Sobald die hydraulische Öffnungskraft auf die Ventilnadel 5 überwiegt,
bewegt sich die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 weg,
und Kraftstoff fließt
aus dem Druckraum 19 den Einspritzöffnungen 11 zu und
wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
Zum Schließen
des Kraftstoffeinspritzventils wird die Schließkraft auf die Ventilnadel 5 erhöht, bis
diese größer ist
als die hydraulische Öffnungskraft.
Die Ventilnadel 5 gleitet zurück in ihre Schließstellung
und unterbricht die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzöffnungen 11.
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2 zeigt
eine Vergrößerung von 1 in dem mit II bezeichneten
Ausschnitt, wobei die linke und die rechte Seite von 2 zwei verschiedene Ausführungsbeispiele
des brennraumseitigen Endes des Ventilkörpers 1 zeigen. Die
Ventilnadel 5 weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine
erste Konusfläche 30 und
eine zweite Konusfläche 32 auf,
die zusammen die Ventildichtfläche 12 bilden.
Zwischen der ersten Konusfläche 30 und
der zweiten Konusfläche 32 ist
eine Ringnut 34 ausgebildet, die an beide Konusflächen 30, 32 grenzt.
Das brennraumseitige Ende der Ventilnadel 5 bildet eine
Stirnfläche 40,
die eben ausgebildet ist und eine kreisrunde Form hat. Die Öffnungswinkel
der Konusflächen 30, 32 sind
dabei so ausgeführt,
dass der Öffnungswinkel
a1 der ersten Konusfläche 30 kleiner ist
als der Öffnungswinkel
b des konischen Ventilsitzes 9. Der Öffnungswinkel a2 der
zweiten Konusfläche 32 ist
hingegen größer als
der Öffnungswinkel
b des konischen Ventilsitzes 9, so dass bei Anlage der
Ventilnadel 5 am Ventilsitz 9 die Sitzkante 37,
die die Grenze zwischen der Ringnut 34 und der ersten Konusfläche 30 bildet, zuerst
am Ventilsitz 9 zur Anlage kommt. Die Winkel sind außerdem so
bemessen, dass der Differenzwinkel zwischen a1 und
b kleiner ist als zwischen a2 und b, also
eine sogenannte inverse Sitzwinkeldifferenz vorliegt. Die Drosselkante 38,
die die Grenze zwischen der Ringnut 34 und der zweiten
Konusfläche 32 bildet,
ist in Schließstellung
der Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 beabstandet,
so dass die Ringnut 34 nur durch die Sitzkante 37 verschlossen
ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel, das in der
linken Hälfte
der 2 dargestellt ist,
fließt
zu Beginn der Öffnungshubbewegung
der Ventilnadel 5, wenn diese noch nicht ihren vollen Hub
durchfahren hat, Kraftstoff aus dem Druckraum 19, an der
ersten Konusfläche 30 vorbei,
in die Ringnut 34 und von dort an der Drosselkante 38 vorbei
zu den Einspritzöffnungen 11.
Dies entspricht dem Neuzustand des Kraftstoffeinspritzventils oder
auch nach längerem Betrieb
den Verhältnissen,
wenn sowohl die Ventilnadel 5 als auch der Ventilsitz 9 bzw.
der Ventilkörper 1 keinen
Verschleiß zeigen
würden.
Im Laufe der Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils hämmert sich
durch Verschleiß die
Sitzkante 37 etwas in den Ventilsitz 9 ein. Hierdurch
verringert sich der Abstand der Drosselkante 38 vom Ventilsitz 9 in
Schließstellung
der Ventilnadel 5, bis schließlich auch die Drosselkante 38 auf
dem Ventilsitz 9 aufsitzt. Beim Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils,
also wenn die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 abhebt,
kommt es anfänglich, bei
noch sehr geringem Hub der Ventilnadel 5, zum Einströmen von
Kraftstoff an der Sitzkante 37 vorbei in die Ringnut 34.
Von dort kann der Kraftstoff aber nur gedrosselt an der Drosselkante 38 vorbei
zu den Einspritzöffnungen 11 fließen, so
dass sich in der Ringnut 34 ein hoher Druck aufbaut, der
eine zusätzliche
hydraulische Öffnungskraft
auf die Ventilnadel 5 ausübt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel, das auf der rechten
Seite der 2 dargestellt
ist, sind diese Verhältnisse
in der Ringnut 34 gleich. Die Einspritzöffnungen 11 gehen
hier nicht vom konischen Ventilsitz 9 ab, sondern an den
Ventilsitz 9 schließt
sich eine Blindbohrung 109 an, von der die Einspritzöffnungen 11 abgehen.
Die drosselnde Wirkung der Drosselkante 38 und der zusätzliche,
unerwünschte Druckaufbau
in der Ringnut 34 sind aber hier identisch.
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In 3 ist
das gleiche Kraftstoffeinspritzventil wie in der linken Hälfte der 2 nochmals gezeigt, jedoch
ist hier die Ventilnadel 5 teilweise geschnitten dargestellt.
Auf Höhe
der Ringnut 34 ist in der Ventilnadel 5 eine Querbohrung 22 ausgebildet, die
senkrecht zur Längsachse 7 der
Ventilnadel 5 verläuft.
Zusätzlich
ist in der Ventilnadel 5 eine Längsbohrung 23 ausgebildet,
die von der flachen Stirnfläche 40 der
Ventilnadel 5 entlang der Längsachse 7 bis zur
Querbohrung 22 reicht und zusammen mit dieser den Kanal 20 bildet.
Hierdurch wird eine hydraulische Verbindung der Ringnut 34 mit
der Außenfläche der
Ventilnadel 5, hier der Stirnfläche 40, hergestellt
und damit mit einem Reservoirvolumen 41, das von der Ventilnadel 5 und
dem brennraumseitigen Ende des Ventilsites 9 begrenzt wird. Bei
vom Ventilsitz 9 abgehobener Ventilnadel 5, wie es
in 3 dargestellt ist,
kann der Kraftstoff jetzt nicht nur an der Drosselkante 38 vorbei
zu den Einspritzöffnungen 11 strömen, sondern
auch durch den durch die Querbohrung 22 und die Längsbohrung 23 gebildeten
Kanal 20. Der Kraftstoff strömt also gleichzeitig aus der Öffnung der
Längsbohrung 23 heraus und
von dort entgegen der Strömungsrichtung
des Kraftstoffs, der an der Drosselkante 38 vorbei fließt, zu den
Einspritzöffnungen 11.
Dadurch wird ein Druckaufbau in der Ringnut 34 verhindert,
so dass sich dort kein zusätzlicher Öffnungsdruck
aufbauen kann.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Ventilnadel 5, bei der die Verbindung der Ringnut 34 mit
der Stirnfläche 40 hier über einen
alternativ gestalteten Kanal 20 realisiert ist. Der Kanal 20 führt, ausgehend
von der Ringnut 34, ein Stück in radialer Richtung einwärts, knickt
dann ab und führt
parallel zur zweiten Konusfläche 32 bis
zur Stirnfläche 40.
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In 5a ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Ventilnadel 5 in teilgeschnittener Ansicht dargestellt,
bei der der Kanal 20, ausgehend von der Ringnut 34,
in den Teil der Außenfläche der
Ventilnadel 5 mündet,
der an die Ringnut 34 grenzt und den Einspritzöffnungen 11 zugewandt
ist. Im Gegensatz zu denen in 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen
mündet
der Kanal 20 hier jedoch nicht in die Stirnfläche 40,
sondern in die zweite Konusfläche 32. Der
Kanal 20 ist hierbei gerade ausgebildet und schneidet die
Längsachse 7 der
Ventilnadel 5 nicht. 5b zeigt
eine Draufsicht auf die Ventilnadel 5, bei der der Verlauf
der Kanäle 20 deutlich
wird. Die Kanäle 20 führen an
der Längsachse 7 vorbei
und sind folglich windschief zu dieser ausgebildet. Hierdurch können die
Kanäle 20 unabhängig voneinander
ausgebildet und beispielsweise mittels eines Laserverfahrens in
die Ventilnadel 5 eingebracht werden.
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Es kann alternativ zur der Darstellung
in 5b auch vorgesehen
sein, dass mehr als zwei Kanäle 20 in
der Ventilnadel 5 ausgebildet sind, ohne sich zu schneiden.
Auch hier werden die Kanäle 20 tangential
der Längsachse 7 vorbeigeführt.
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Der Durchmesser des Kanals 20 und
damit auch der Querbohrung 22 und der Längsbohrung 23 beträgt vorzugsweise
etwa 0,2– 0,5
mm, was eine ausreichende hydraulische Verbindung sicher stellt.