DE60101519T2 - Einspritzdüse - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zur Verwendung bei der Steuerung eines Flüssigkeitsflusses durch eine Auslassöffnung. Insbesondere, aber nicht ausschließlich betrifft die Erfindung eine Einspritzdüse zur Verwendung in einem Kraftstoffeinspritzventil zur Abgabe von Kraftstoff an einen Verbrennungsmotor. Eine Einspritzdüse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus dem Dokument WO 99 58844 A bekannt.
• 1 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer üblichen Einspritzdüse eines Kraftstoffeinspritzventils mit einer Ventilnadel 10, die sich innerhalb einer in einem Düsenkörper 14 angeordneten, geschlossenen Bohrung 12 bewegen kann. Ein Bereich der Ventilnadel 10 mit einem Durchmesser 10a kann in Anlage mit einem von einem Teil der Bohrung 12 gebildeten, ringförmigen Ventilsitz 16 kommen, um die Kraftstoffabgabe durch einen Satz von im Düsenkörper 14 vorhandenen Auslassöffnungen 18 zu steuern. Wenn während des Betriebs die Ventilnadel 10 in der in der Darstellung gezeigten Ausrichtung nach oben und damit weg vom Ventilsitz 16 bewegt wird, kann Kraftstoff innerhalb einer Abgabekammer 19, die von der Bohrung 12 und der Außenfläche der Ventilnadel 12 begrenzt wird, am Ventilsitz 16 vorbei und durch die Auslassöffnungen 18 in einen damit verbundenen Motorzylinder oder einen anderen Verbrennungsraum fließen.
• Die Ventilnadel ist mit einer Druckfeder (nicht gezeigt) ausgestattet, die dazu dient, die Ventilnadel gegen den Ventilsitz 16 zu drücken, um eine Kraftstoffeinspritzung durch die Auslassöffnungen 18 zu verhindern. Die Bewegung der Ventilnadel 10 weg vom Ventilnadelsitz 16 zum Zwecke des Beginns einer Kraftstoffeinspritzung kann auf verschiedene Arten und Weisen gesteuert werden. Beispielsweise kann der Druck des in die Abgabekammer 19 eingespeisten Kraftstoffs soweit gesteigert werden, dass die auf die (nicht gezeigten) Druckflächen der Ventilnadel 10 einwirkende Kraft ausreicht, um die Federkraft zu überwinden, was dazu führt, dass die Ventilnadel 10 weg vom Ventilsitz 16 gedrückt wird, um die Abgabe von Kraftstoff durch die Auslassöffnungen 18 zu ermöglichen.
• Es ist ein wichtiges Merkmal der Gestaltung von Kraftstoffeinspritzventilen, dass der Kraftstoffdruck, bei dem sich die Ventilnadel 10 weg vom Ventilsitz 16 bewegt, um den Beginn der Kraftstoffeinspritzung zu bewirken, mit hoher Genauigkeit erreicht werden kann. Um dies zu erreichen, muss der effektive Durchmesser des ringförmigen Ventilsitzes 16, auf dem die Ventilnadel 10 sitzt bzw. gegen den sie drückt, mit hoher Genauigkeit gefertigt und nachbearbeitet werden. Es ist daher wichtig, bei der Herstellung Schwankungen im effektiven Durchmesser und beim Oberflächenfinish des Ventilsitzes 16 möglichst gering zu halten. In der Praxis ist ein hoher Grad an Wiederholgenauigkeit des effektiven Durchmessers und der Oberflächen-Güte des Ventilsitzes jedoch nur schwer zu erreichen.
• Es ist Gegenstand der Erfindung, dieses Problem abzumildern. Dieser Gegenstand wird mit einer Einspritzdüse gemäß Anspruch 1 erhalten.
• Die Einspritzdüse umfasst einen mit einer geschlossenen Bohrung ausgestatteten Düsenkörper, wobei das Ventilelement in der geschlossenen Bohrung verschieblich angeordnet ist und diese Bohrung die Ventilsitzfläche für das Ventilelement bildet. Der Düsenkörper ist vorzugsweise mit mindestens einer Auslassöffnung versehen, durch die Kraftstoff abgegeben wird, wenn das Ventilelement von der Sitzfläche angehoben wird.
• Das Ventilelement kann im Betrieb innerhalb der geschlossenen Bohrung hin- und herbewegt werden, um das Ventilelement in Anlage mit der Ventilsitzfläche und weg von einer solchen Anlage zu bringen.
• Die Erfindung ermöglicht es, dass der effektive Durchmesser des Ventilsitzes mit größerer Genauigkeit und mit größerer Wiederholgenauigkeit bei der Herstellung erhalten wird. Da der zweite Bereich des Ventilelements einen kleineren Konuswinkel ausbildet bzw. einschließt als der erste Bereich, kann weder der Teil des ersten Bereichs, der sich stromabwärts von der Sitzfläche befindet, noch der zweite Bereich auf der Bohrung aufsitzen. Damit kann der wirksame Durchmesser der Außenfläche des Ventilelements, die auf dem Ventilsitz aufsitzt, und damit der effektive Durchmesser des Ventilsitzes genauer definiert bzw. eingegrenzt werden. Die Genauigkeit beim Fertigen und Nachbearbeiten des Ventilsitzes ist daher weniger kritisch.
• Die Erfindung hat auch den Vorteil, dass eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit der äußeren Ventiloberfläche des Ventilelements leichter zu erreichen ist als eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit der inneren Oberfläche einer geschlossenen Bohrung.
• Vorzugsweise beträgt die Winkeldifferenz zwischen dem ersten, vom ersten Bereich ausgebildeten bzw. umschlossenen Konuswinkel und dem zweiten, vom zweiten Bereich ausgebildeten bzw. umschlossenen Konuswinkel im Wesentlichen 1°.
• Vorzugsweise kann der erste, vom ersten Bereich ausgebildete bzw. umschlossene Konuswinkel im Wesentlichen 61° betragen und der zweite, vom zweien Bereich ausgebildete bzw. umschlossene Konuswinkel im Wesentlichen 60° betragen.
• Vorzugsweise beträgt die Länge des ersten Bereichs entlang der Achse des Ventilelements weniger als 0,2 mm oder entspricht diesem Betrag. Der Durchmesser des ersten Bereichs kann an dem Punkt, an dem die Sitzfläche mit der Ventilsitzfläche zur Anlage kommt, beispielsweise im Wesentlichen 2,25 mm betragen.
• Der zweite Bereich des Ventilelements ist ein Endbereich des Ventilelements. Der Endbereich des Ventilelements besitzt eine im wesentlichen kegelstumpfförmige oder konische Form.
• Die Einspritzdüse ist beispielsweise zur Verwendung in Einheits-/Pumpen-Einspritzventilen und in Kraftstofteinspritzventilen geeignet, die so angeordnet sind, dass sie mit Kraftstoff von einer "Common Rail" Anordnung versorgt werden können.
• Der Differenzwinkel zwischen der Ventilsitzfläche und der vom ersten Bereich begrenzten bzw. gebildeten Sitzoberfläche beträgt vorzugsweise mindestens 1,5°.
• Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausschließlich beispielhaft beschrieben, worin:
• 1 eine vergrößerte Darstellung eines üblichen Kraftstoffeinspritzventils mit einem Ventilelement darstellt; und
• 2 eine vergrößerte, übertriebene Ansicht eines Ventilelements gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist.
• Es sei Bezug auf 2 genommen. In dieser Figur ist ein Ventilelement 20 für die Verwendung in einer Einspritzdüse zur Abgabe von Kraftstoff an einen Motor-Zylinder oder an einen anderen Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors gezeigt. Das Ventilelement 20 umfasst einen ersten, ringförmigen Bereich 20a mit im wesentlichen kegelstumpfförmiger Gestalt und einem Ende, einem Spitzenbereich 20b mit im wesentlichen konischer Form, wobei der Endbereich 20b eine in Axialrichtung gesehen untere Position entlang der Achse 22 des Ventilelements 20 einnimmt. Der Endbereich 20b besitzt eine Außenfläche 26, und der erste Bereich 20a besitzt eine Außenfläche 24, wobei die Außenfläche 24 des ersten Bereichs 20a eine Sitzfläche 24a bildet, die mit einer Ventilsitzfläche 27 in Anlage kommen kann, um die Kraftstoffabgabe durch in einem Düsenkörper 25 des Einspritzventils vorhandene Auslassöffnungen (nicht gezeigt) zu steuern. In einem sich nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzventil wird die Ventilsitzfläche durch eine Oberfläche einer im Düsenkörper vorhandenen geschlossenen Bohrung gebildet, wobei das Ventilelement 20 im Betrieb innerhalb der geschlossenen Bohrung hin- und herbewegbar ist, um die Sitzfläche 24a in Anlage mit der Ventilsitzfläche 27 oder aus dieser Anlage heraus zu bewegen.
• Der erste Bereich 20a des Ventilelements 20 bildet oder umschließt einen Konuswinkel, θ₁, von annähernd 61°, und der Endbereich 20b bildet oder umschließt einen Konuswinkel, θ₂, von annähernd 60°. Die Winkeldifferenz zwischen dem Konuswinkel θ₁ und dem Konuswinkel 8₂ beträgt daher ungefähr 1°. Typischerweise ist die Länge l des Bereichs 20a entlang der Achse des Ventilelements 20 kürzer als oder gleich 0,2 mm, aber sie kann durchaus auch eine Länge von 0,4 mm haben. Der Durchmesser der ringförmigen Sitzfläche 24a, die mit der Ventilsitzfläche zur Anlage kommt, beträgt typischerweise 2,25 mm. Die Differenz des Winkels θ₃ zwischen der Sitzfläche 27 und der Oberfläche des Bereichs 20a beträgt typischerweise 1,5°. Es sollte jedoch klar sein, dass der Winkel θ₃ in Abhängigkeit von dem Winkel, der von der Sitzfläche 27 gebildet bzw. umschlossen wird, größer oder kleiner als dieser Betrag sein kann.
• In gängigen Kraftstoffeinspritzdüsen gibt es entweder keinen Unterschied im Konuswinkel zwischen dem Endbereich des Ventilelements und dem Bereich, der die Sitzfläche bildet bzw. definiert, oder, wie in 1 gezeigt, der Endbereich des Ventilelements bildet bzw. umschließt einen größeren Konuswinkel als der Bereich, der die Sitzfläche bildet. In der vorliegenden Erfindung stellt die Winkeldifferenz zwischen θ₁ und θ₂, wobei θ₁ größer als θ₂ ist, sicher, dass die Oberfläche der Bohrung, in der sich das Ventilelement 20 bewegen kann und gegen die das Ventilelement aufsitzt, einen effektiven Durchmesser hat, der im Vergleich zu bekannten Anordnungen mit einer höheren Genauigkeit und mit einer größeren Wiederholgenauigkeit erhalten werden kann, wobei die Geometrie des Ventilelements derart ist, dass nur die Sitzfläche 24a des ersten Bereichs 20a und nicht der Rest der Fläche 24 oder die Fläche 26 des Endbereichs 20b gegen das Ende der geschlossenen Bohrung, in der das Ventilelement während des Betriebs gleitet, aufsitzen kann.
• Die Erfindung ergibt einen besonderen Vorteil bei Einspritzventilanordnungen, bei denen der Kraftstoffdruck, bei dem sich das Ventilelement vom Ventilsitz abhebt, kritisch oder entscheidend ist. Darüber hinaus beträgt der Differenzwinkel θ₃ zwischen der Sitzfläche 27 und dem Bereich 20a des Ventilelements 20 in üblichen Kraftstoffeinspritzventilen typischerweise 0,5°. In der vorliegenden Erfindung ist der Differenzwinkel θ₃ infolge der Gestaltung des Bereichs 20a größer (typisch sind 1,5°), während entlang der übrigen Bereiche der Ventilelement-Oberfläche ein minimaler Abstand erhalten bleibt. Dies hilft dabei, den Aufbau von Kraftstoff-Firnissablagerungen auf der Sitzfläche 27 zu vermeiden und ergibt einen hydraulischen "Dämpfungs"-Effekt beim Schließen des Ventilelements.
• Es sollte klar sein, dass θ₁ und θ₂ Werte annehmen können, die von den hier voranstehend beschriebenen abweichen, und dass die Winkeldifferenz zwischen θ₁ und θ₂ nicht 1° sein muss, während dennoch die Vorteile der vorliegenden Erfindung erreicht werden. Zusätzlich sollte klar sein, dass die Länge des Bereichs 20a und der Durchmesser der Sitzfläche 24a andere Abmessungen haben können als die voranstehend erwähnten.
• Die Einspritzdüse der vorliegenden Erfindung kann in ein Einheits-/Pumpen-Einspritzventil oder in ein Kraftstoffeinspritzventil eingebaut werden, das so angeordnet ist, dass es mit Kraftstoff von einer "Common Rail" Anordnung versorgt werden kann. Es sollte klar sein, dass die Bewegung des Ventilelements 20 innerhalb der geschlossenen Bohrung zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnungen des Einspritzventils auf jede beliebige geeignete Weise gesteuert werden kann, beispielsweise mit Hilfe eines piezoelektrischen oder elektromagnetischen Stellorgans, und dass das Kraftstoffeinspritzventil vom Typ mit nur einer Anhebestufe oder einem solchen mit mehreren Anhebestufen sein kann, wobei der Düsenkörper des Einspritzventils dementsprechend mit einer geeigneten Anzahl von Auslassöffnungen für den Kraftstoff ausgestattet ist.
• Es sollte außerdem klar sein, dass die Einspritzdüse der vorliegenden Erfindng zum Steuern der Abgabe einer beliebigen Flüssigkeit verwendet werden kann und nicht auf den Einsatz zum Einspritzen von Kraftstoff beschränkt ist.

Claims (4)

1. Einspritzdüse zum Abgeben von Kraftstoff an einen Verbrennungsraum, wobei die Einspritzdüse ein Ventilelement umfasst, das innerhalb einer in einem Düsenkörper (25) befindlichen geschlossenen Bohrung verschieblich angeordnet ist, wobei das Ventilelement (20) einen ersten Bereich (20a) von im Wesentlichen konischer Form, der eine mit einer von der geschlossenen Bohrung gebildeten Ventilsitzfläche (27) in Anlage bringbare Sitzfläche (24a) zur Steuerung der Kraftstoffabgabe aus der Einspritzdüse definiert, und einen zweiten Bereich (20b) umfaßt, der derart angeordnet ist, dass dann, wenn das Ventilelement (20) im Betrieb auf der Ventilsitzfläche (27) aufsitzt, sich der zweite Bereich (20b) stromabwärts der Ventilsitzfläche (27) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (20b) unmittelbar stromabwärts des ersten Bereichs (20a) angeordnet ist, einen Endbereich des Ventilelements (20) bildet und eine im Wesentlichen konische oder kegelstumpfförmige Form besitzt, und worin der erste Bereich (20a) einen ersten Konuswinkel (θ₁) ausbildet bzw. einschließt, der größer als ein zweiter Konuswinkel (θ₂) ist, der durch den zweiten Bereich gebildet bzw. von diesem umschlossen ist, wodurch sichergestellt wird, dass im Betrieb auf das Schließen des Ventilelementes hin ein hydraulischer Dämpfungseffekt erreicht wird.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, worin die Winkeldifferenz zwischen dem ersten Konuswinkel (θ₁), der vom ersten Bereich (20a) ausgebildet bzw. umschlossen wird, und dem zweiten Konuswinkel (θ₂), der vom zweiten Bereich (20b) ausgebildet bzw. umschlossen wird, im Wesentlichen 1° beträgt.
3. Einspritzdüse nach Anspruch 2, worin der vom ersten Bereich (20a) gebildete bzw. umschlossene Konuswinkel (θ₁) im Wesentlichen 61° beträgt und der zweite Konuswinkel (θ₂), der vom zweiten Bereich (20b) ausgebildet bzw. umschlossen wird, um Wesentlichen 60° beträgt.
4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Differenzwinkel zwischen der Ventilsitzfläche (27) und der vom ersten Bereich (20a) gebildeten Sitzfläche (24a) mindestens 1,5° beträgt.