-
Stand der
Technik
-
Die
Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
aus, wie es beispielsweise aus der Schrift
DE 103 15 821 A1 bekannt
ist. Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilsitz
auf, von dem wenigstens eine Einspritzöffnung abgeht. In dem Kraftstoffeinspritzventil ist
eine kolbenförmige
Ventilnadel angeordnet, die als Ventilaußennadel ausgeführt ist.
Die Ventilnadel weist eine Ventildichtfläche auf, mit der die Ventilnadel
so mit dem Ventilsitz durch ihre Längsbewegung zusammenwirkt,
dass dadurch die Einspritzöffnungen
geöffnet
oder verschlossen werden können,
um die Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum zu steuern. An der
Ventildichtfläche
sind zwei Dichtkanten ausgebildet, von denen die erste Dichtkante
bei Anlage der Ventilnadel auf dem Ventilsitz stromaufwärts und
die zweite Dichtkante stromabwärts
der wenigstens einen Einspritzöffnung
am Ventilsitz zur Anlage kommt. Hierdurch sollen die Einspritzöffnungen
völlig gegen
den sonstigen Kraftstoff im Kraftstoffeinspritzventil abgedichtet
werden.
-
Bei
dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil kommt es hierbei jedoch
zu Schwierigkeiten: Um eine sichere Abdichtung an beiden Dichtkanten
zu erreichen sind die Dichtkanten so an geordnet, dass bei der Bewegung
der Ventilnadel auf die Ventildichtfläche zu zuerst die zweite Dichtkante
am Ventilsitz zur Anlage kommt und erst bei höherer Schließkraft und entsprechender
elastischer Verformung am ventilsitzseitigen Ende der Ventilnadel
auch die erste Dichtkante. Die Kräfte, die hierzu aufgewandt
werden müssen,
sind beträchtlich:
Die Verformung der Ventilnadel radial nach innen kann nur durch
eine Stauchung der gesamten Nadel erfolgen, was die hohen Kräfte bedingt.
Die Schließkraft
auf die Ventilnadel muss neben dem hydraulischen Druck, der bei
Common-Rail Anwendungen üblicherweise
ständig
auf die Ventilnadel wirkt, auch noch diese die Abdichtung bewirkende
Kraft aufbringen, was den effektiven Öffnungsdruck erniedrigt. Insbesondere
für den
Fall, dass sich durch Ermüdung
oder plastisches Verformung der Ventilnadel die für die Abdichtung
der Ventilnadel nötige
Kraft im Laufe der Lebensdauer ändert, ändert sich
auch die Öffnungskraft
und damit der Öffnungsdruck,
was eine Änderung
der Einspritzcharakteristik des Kraftstoffeinspritzventils bewirkt
-
Vorteile der
Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass eine Abdichtung der Einspritzöffnungen stromaufwärts und
stromabwärts
durch die Ventilnadel erreicht wird, wobei dazu verglichen mit den
auftretenden Schließkräften nur
geringe Kräfte
nötig sind. Hierzu
weist die erfindungsgemäße Ventilnadel
an ihrer ventilsitzseitigen Stirnseite eine Ausnehmung auf, so,
dass eine elastisch oder plastisch nach innen verformbare Dichtlippe
gebildet wird, an dem die zweite Dichtkante ausgebildet ist. Durch
diese Ausnehmung wird die Dichtlippe leicht verformbar, ohne die
Wandstärke
der Ventilnadel, soweit diese als Hohlnadel ausgebildet ist, zu
weit zu mindern. Dadurch bleibt die Stabilität der Ventilnadel erhalten
bei gleichzeitiger guter Ab dichtung der Einspritzöffnungen.
Ebenso vorteilhaft lässt
sich die die Dichtlippe formende Ausnehmung auch bei einer Ventilnadel
anwenden, die keine Längsbohrung
aufweist. Hier ergibt sich durch die sonst nicht mögliche Abdichtung
sowohl stromaufwärts
als auch stromabwärts
der Einspritzöffnungen
eine weitere Reduzierung des kraftstoffgefüllten Volumens, das in den
Einspritzpausen über
die Einspritzöffnungen
mit dem Brennraum verbunden ist. Hierdurch werden die Kohlenwasserstoffemissionen der
Brennkraftmaschine deutlich gesenkt.
-
Durch
die Unteransprüche
sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung möglich.
-
Soweit
die Ventilnadel als eine Hohlnadel mit einer entsprechenden Längsbohrung
ausgebildet ist, wird die Ausnehmung vorteilhafterweise durch eine radiale
Erweiterung am ventilsitzseitigen Ende der Längsbohrung ausgebildet. Vorteilhaft
ist insbesondere die Ausbildung als Anschrägung, so dass die Ausnehmung
eine kegelstumpfförmige
Form aufweist. Dies ist einfach zu fertigen, und die zweite Dichtkante
wird präzise
als Grat ausgebildet, wobei die zweite Dichtkante gleichzeitig das
ventilsitzseitige Ende der Ventilnadel bildet. Je nach Anforderungen an
die Ventilnadel und deren Stabilität können auch andere Formen der
Ausnehmung vorteilhaft sein. Entscheidend ist die Schwächung des
brennraumseitigen Endes der Ventilnadel, an dem die zweite Dichtkante
ausgebildet ist, so, dass eine Dichtlippe gebildet wird, die soweit
elastisch ist, dass sie bereits durch geringen Kraftaufwand nach
innen federt.
-
Ist
die Ventilnadel massiv ausgeführt
und weist keine Längsbohrung
auf, so kann die Ausnehmung im Querschnitt gesehen in gleicher Weise
ausgeführt
sein. Die elastische Dichtlippe sorgt ebenfalls für eine entsprechende
Abdichtung der Einspritzöffnungen.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, die Dichtlippe im Querschnitt gesehen dreieckförmig auszubilden. Hierdurch
ergibt sich an der Außenkante automatisch die zweite
Dichtkante, die so präzise
zu fertigen ist.
-
Zeichnung
-
In
der Zeichnung sind der Stand der Technik und verschiedene Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt. Es zeigt
-
1 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
mit zwei ineinander geführten
Ventilnadeln im Längsschnitt,
-
2 eine Vergrößerung von 1 im mit II bezeichneten
Ausschnitt,
-
3 eine vergrößerte Darstellung
von 2 im mit III bezeichneten
Ausschnitt, wobei die Ausgestaltung der 2 und 3 den
Stand der Technik darstellt,
-
4 in derselben Darstellung
wie 2 ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
5 den mit V bezeichneten
Ausschnitt von 4 in
vergrößerter Darstellung,
-
5a, 5b, 5c, 5d, 5e und 5f zeigen
in derselben Darstellung wie 5 weitere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung,
-
6 zeigt ein aus dem Stand
der Technik bekanntes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt, wobei
hier nur eine Ventilnadel vorgesehen ist,
-
7 zeigt eine vergrößerte Darstellung
des mit VII bezeichneten Ausschnitts von 6,
-
8 zeigt in derselben Darstellung
wie 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
-
9 zeigt den mit IX bezeichneten
Ausschnitt von 8 in
vergrößerter Darstellung.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt. In einem Ventilkörper 1 ist
eine Bohrung 5 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen
Ende von einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 18 begrenzt
wird. Der Ventilkörper 1 wird
hierbei mittels einer Spannmutter 3 gegen einen in der
Zeichnung nicht dargestellten Haltekörper gepresst. Vom Ventilsitz 18 gehen
Einspritzöffnungen 20 und
innere Einspritzöffnungen 22 aus,
die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum
der Brennkraftmaschine münden.
In der Bohrung 5 ist eine Ventilnadel 8 angeordnet,
die in einem ventilsitzabgewandten Bereich in der Bohrung 5 geführt wird.
Die Ventilnadel 8 verjüngt
sich ausgehend vom geführten
Abschnitt dem Ventilsitz 18 zu unter Bildung einer Druckschulter 12 und
geht an ihrem brennraumseitigen Ende in eine ebenfalls im wesentlichen
konische Ventildichtfläche 35 über, mit
der die Ventilnadel 8 mit dem Ventilsitz 18 zusammenwirkt.
Zwischen der Ventilnadel 8 und der Wand der Bohrung 5 ist
ein Druckraum 14 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 12 radial erweitert
ist. In die radiale Erweiterung des Druckraums 14 mündet ein
im Ventilkörper 1 verlaufender Zulaufkanal 16, über den
der Druckraum 14 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist.
-
In
der Ventilnadel 8 ist eine Längsbohrung 11 ausgebildet,
in der eine Innennadel 10 längsverschiebbar angeordnet
ist. Die Innennadel 10 weist an ihrem ventilsitzseitigen
Ende eine innere Ventildichtfläche 42 auf,
mit der sie ebenfalls mit dem Ventilsitz 18 zusammenwirkt.
Die Ventilnadel 8 und die Innennadel 10 wirken
so mit dem Ventilsitz 18 zusammen, dass bei Anlage der
Ventilnadel 8 auf dem Ventilsitz 18 der Druckraum 14 gegen
die Einspritzöffnungen 20, 22 abgedichtet
ist. Hebt die Ventilnadel 8, angetrieben durch die hydrauli sche
Kraft auf die Druckschulter 12 und gegen eine Schließkraft,
vom Ventilsitz 18 ab, so fließt Kraftstoff aus dem Druckraum 14 zwischen
der Ventildichtfläche 35 und
dem Ventilsitz 18 hindurch zu den Einspritzöffnungen 20 und
wird durch diese hindurch in den Brennraum eingespritzt. Die Innenadel 10 bleibt
bei diesem Vorgang zumindest vorerst in ihrer Schließstellung,
in der sie ebenfalls durch eine Schließkraft gehalten wird. Nach
dem Abheben der Ventilnadel 8 vom Ventilsitz 18 wird
nun auch die Innenadel 10 vom Kraftstoffdruck beaufschlagt,
was über
entsprechende Druckflächen
an der Innennadel 10 zu einer der Schließkraft entgegengerichteten Öffnungskraft
führt.
Je nach Steuerung der Schließkraft
hebt die Innenadel 10 jetzt ebenfalls vom Ventilsitz 18 ab
und gibt die inneren Einspritzöffnungen 22 frei
oder sie bleibt durch eine entsprechend hohe Schließkraft in
ihrer Schließstellung.
Auf diese Weise kann durch sämtliche
Einspritzöffnungen 20, 22 oder
nur durch einen Teil der Einspritzöffnungen 20 Kraftstoff
in den Brennraum eingespritzt werden. Durch Erhöhung der Schließkräfte oder
durch Drosselung der Kraftstoffzufuhr in den Druckraum 14 wird
die Einspritzung beendet und die Ventilnadel 8 und die
Innenadel 10 gleiten in Längsrichtung zurück in ihre
jeweilige Schließstellung
in Anlage am Ventilsitz 18.
-
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung
des mit II bezeichneten Ausschnitts von 1 im Bereich des Ventilsitzes, wobei
die hier gezeigte Ausgestaltung dem bereits bekannten Stand der
Technik entspricht. Die Ventilnadel 8 deckt mit ihrer Ventildichtfläche 35 die
Einspritzöffnungen 20 ab.
Die Abdichtung soll dabei sowohl gegen den Druckraum 14 als auch
gegen den zwischen der Innennadel 10 und der Ventilnadel 8 verbleibenden
Zwischenraum erfolgen. Andernfalls können hohe Kohlenwasserstoffemissionen
auftreten, die aus Kraftstoff resultieren, der aus diesem Zwischenraum
in den Einspritzpausen durch die Einspritzöffnungen 20 in den
Brennraum eindringt. Um dies zu erreichen ist es aus dem Stand der Technik
bekannt, die Ventildichtfläche 35 mit
einer ersten Dichtkante 26 und einer zweiten Dichtkante 28 auszustatten.
Hierzu ist die Ventildichtfläche 35 in eine
erste Konusfläche 30,
eine zweite Konusfläche 31,
eine dritte Konusfläche 32 und
eine vierte Konusfläche 33 aufgeteilt,
wobei die erste Dichtkante 26 am Übergang der ersten Konusfläche 30 zur
zweiten Konusfläche 31 ausgebildet
ist und die zweite Dichtkante 28 am Übergang der dritten Konusfläche 32 zur vierten
Konusfläche 33.
In 3 ist der mit III
bezeichnete Ausschnitt von 2 nochmals
vergrößert dargestellt.
Um eine Abdichtung an beiden Dichtkanten 26, 28 zu
erreichen und in beiden Bereichen eine ausreichende Flächenpressung
sicherzustellen ist bekannt, die zweite Dichtkante 28 so
auszubilden, dass sie bei der Bewegung der Ventilnadel 8 auf
den Ventilsitz 18 zu zuerst auf dem Ventilsitz 18 aufsetzt. Erst
nach einer elastischen Verformung des ventilsitzseitigen Endes der
Ventilnadel 8 durch die Schließkraft, die die Ventilnadel 8 auf
den Ventilsitz 18 presst, radial nach innen, kommt auch
die erste Dichtkante 26 auf dem Ventilsitz 18 zur
Anlage. Hierzu sind jedoch große
Kräfte
notwendig, obwohl die Breite der Ventilnadel 8 im Bereich
der zweiten Dichtkante nur ca. 0,15 mm beträgt.
-
Um
dieses Problem zu beseitigen ist das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
beispielsweise wie in 4 gezeigt
aufgebaut. Hierbei sind die gleichen Bauteile mit denselben Bezugsziffern wie
in den 1 bis 3 bezeichnet, so dass auf
den Inhalt der Beschreibung zu diesen Figuren inhaltlich voll Bezug
genommen wird. Am brennraumseitigen Ende der Ventilnadel 8 ist
eine Ausnehmung 37 ausgebildet, die hier durch eine radiale
Erweiterung der Längsbohrung 11 gebildet
wird. 5 zeigt eine vergrößerte Darstellung
im Bereich der Ausnehmung 37. Diese Ausnehmung 37 weist
die Form eines Kegelstumpfs auf und ist so ausgebildet, dass eine Dichtlippe 40 gebildet
wird, an der die zweite Dichtkante 28 ausgebildet ist.
Im Querschnitt betrachtet ist die Dicht lippe 40 etwa dreieckförmig und
dadurch an ihrer die zweite Dichtkante 28 bildenden Außenkante so
flexibel, dass sie sich bereits durch geringe Kräfte radial nach innen verformen
kann. Sind also die Dichtkanten 26, 28 ebenso
angeordnet wie bei dem bereits bekannten Ausführungsbeispiel der 2 und 3, so setzt bei der Schließbewegung
der Ventilnadel 8 zuerst die zweite Dichtkante 28 auf
dem Ventilsitz 18 auf. Die durch die Ausnehmung 37 gebildete Dichtlippe 40 wird
nun bereits durch geringe axiale Kräfte radial nach innen gedrückt und
ermöglicht
es so, dass die erste Dichtkante 26 auf dem Ventilsitz 18 aufsetzt
und die Einspritzöffnungen 20 abdichtet. Hierbei
ist die Wandstärke
der Ventilnadel 8 im Bereich der Ringnut 24 kaum
geschwächt,
so dass sich nach wie vor praktisch die gleiche Stabilität der Ventilnadel 8 ergibt.
Die vierte Konusfläche 33 entfällt dabei
durch die Ausbildung der Ausnehmung 37.
-
Bei
der Beschreibung der in den 5a bis 5f dargestellten weiteren
Ausführungsbeispiele
wird im folgenden nur auf die Unterschiede zur 5 eingegangen, die unveränderten
Teile werden nicht näher
erläutert.
In 5a ist die Ausnehmung 37 unterverändert kegelstumpfförmig, jedoch
ist sie so ausgeführt,
dass am ventilsitzseitigen Ende der Ventilnadel 8 eine
Ringfläche 44 gebildet
wird. Die zweite Dichtkante 28 ist am äußeren Rand dieser Ringfläche 44 ausgebildet,
was die Spritze der Ventilnadel 8 etwas stabiler macht,
allerdings auch etwas weniger flexibel. In 5b ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem
die Ringfläche 44 etwas
geneigt ausgebildet ist, so dass die zweite Dichtkante 28 nicht
mehr das ventilsitzseitige Ende der Ventilnadel 8 bildet.
Durch die Ausnehmung 37 ist jedoch auch hier sichergestellt, dass
eine ausreichende Flexibilität
in diesem Bereich vorhanden ist.
-
5c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem die Ausnehmung 37 wieder so ausgebildet ist, dass
eine Ringflä che 44 gebildet
wird. Die Ringnut 24 ist hier nicht durch zwei Konusflächen gebildet,
sondern sie weist einen gerundeten Verlauf auf. Hierdurch ergibt
sich, je nach Ausführung
der Ringnut 24, eine etwas größere Flexibilität der Dichtlippe 40.
-
5d zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem die Ausnehmung 37 nicht mehr kegelstumpfförmig, sondern
glockenförmig
ausgebildet ist, so dass die Dichtlippe 40 noch dünner und
damit mit noch größerer Flexibilität gebildet
wird. Die Ringnut 24 wird hier wieder durch zwei Konusflächen gebildet.
-
Bei
dem in 5e gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist in der Ringnut 24, zwischen der zweiten Konusfläche 31 und
der dritten Konusfläche 32 ein Absatz 34 ausgebildet.
Dadurch lässt
sich die Dichtlippe 44 gezielt schwächen und so die Flexibilität weiter
erhöhen.
Es ist auch möglich,
wie 5f zeigt, statt
kantenartiger, scharfer Übergänge zwischen den
Konusflächen 31, 32 und
dem Absatz 34 den Absatz 34 und die dritte Konusfläche 32 zu
verrunden, was zu einer Verringerung von Kerbspannungen in diesem
Bereich führt.
-
6 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil,
das aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Aufbau entspricht
weitgehend dem in 1 gezeigten,
so dass gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet
sind. Soweit die Bauteile identisch mit denen der weiter oben beschriebenen
Ausführungsbeispiele
sind, wird auf die dortige Beschreibung verwiesen. Die Ventilnadel 8 weist
hier keine Längsbohrung auf,
so dass die Innennadel entfällt.
Die Ventilnadel 8 steuert in bekannter Weise den Kraftstofffluss
aus dem Druckraum 14 zu den Einspritzöffnungen 20, in dem
sie sich in Längsrichtung
bewegt. 7 zeigt eine
vergrößerte Darstellung
im Bereich des Ventilsitzes 18 von 6. Die Ventildichtfläche 35 weist eine erste
Konusfläche 30 und
ei ne zweite Konusfläche 31 auf,
die in ihrem Öffnungswinkel
so ausgebildet sind, dass zwischen ihnen eine erste Dichtkante 26' ausgebildet
ist, zwischen der und dem Ventilsitz 18 die Abdichtung
der Einspritzöffnungen 20 zum
Druckraum 14 stattfindet. Der konische Ventilsitz 18 läuft zum
brennraumseitigen Ende des Ventilkörpers 1 nicht spitz
aus, sondern mündet
in ein Restvolumen 46, das im wesentlichen die Form einer
Halbkugel hat. Das Restvolumen 46 dient auch als Werkzeugauslauf
bei der Fertigung des Ventilsitzes 18. Dieses Restvolumen 46 bleibt
bei geschlossenem Kraftstoffeinspritzventil über die Einspritzöffnungen 20 mit
dem Brennraum verbunden, was sich negativ auf die Kohlenwasserstoffemissionen
der Brennkraftmaschine auswirkt. Um dieses Restvolumen 46 zu vermindern
ist die erfindungsgemäße Ventilnadel 8 wie
in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der 8 ausgebildet. Am ventilsitzseitigen
Ende ist eine kegelstumpfförmige
Ausnehmung 37 ausgebildet, so, dass eine Dichtlippe 40 gebildet
wird. Die Dichtlippe 40 dichtet hierbei die Einspritzöffnungen 20 gegen
das Restvolumen 46 ab, wodurch das nach wie vor mit den
Einspritzöffnungen 20 verbundene, kraftstoffgefüllte Volumen
auf das Volumen der Ringnut 24 beschränkt wird.
-
Die
Ausnehmung 37 kann auch hier verschiedene Formen annehmen,
beispielsweise eine Glockenform, wie in 5d gezeigt, oder eine Halbkugelform.
Ebenso können
sämtliche
in den 5a bis 5f gezeigten Formen der Ringnut 24 ebenfalls
hier umgesetzt werden.
-
Neben
der rein elastischen Verformung der Dichtlippe 40 beim
Schließvorgang
der Ventilnadel 8 kann es auch vorgesehen sein, dass die
Dichtlippe 40 plastisch verformbar ist. Beim ersten Schließvorgang
des neuen Kraftstoffeinspritzventils wird die Dichtlippe 40 soweit
verformt, dass die beiden Dichtkanten 26, 28 auf
dem Ventilsitz 18 aufliegen, wobei dann auch die geringe
Kraft entfallen kann, die nach wie vor nötig ist, die Dichtlippe 40 nach
innen zu verformen. Es ist auch möglich, dass die Verformung
der Dichtlippe 40 plastisch-elastisch erfolgt, also beim ersten
Schließvorgang
ein Teil der gesamten Verformung, die nötig ist, um die erste Dichtkante 26 in
Anlage an die Ventildichtfläche 18 zu
bringen, plastisch erfolgt, was die anschließend nötigen Kräfte für die elastische Verformung
der Dichtlippe 40 weiter reduziert.