Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, wie es beispielsweise aus der Of- fenlegungsschrift DE (normales Ventil) AI bekannt ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil umfasst einen Ventilkörper, in dem in einer Bohrung eine kolbenförmige Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet ist. Zwischen der Ventilnadel und der Wand der Bohrung ist ein Druckraum ausgebildet, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befullbar ist. Die Bohrung wird an ihrem brennraumseitigen Ende von einem Ventilsitz begrenzt, von dem mehrere Einspritzöffnungen abgehen. Durch Anlage der Ventilnadel am Ventilsitz werden die Einspritzöffnungen verschlossen, während bei vom Ventilsitz abgehobener Ventilnadel Kraftstoff zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz hindurch den Einspritzöffnungen zufließt und von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Die Bewegung der Ventilnadel zwischen der Öffnungs- und Schließposition erfolgt hierbei durch zwei entgegengerichtete Kräfte: einerseits durch eine Schließkraft, die in Richtung des Ventilsitzes auf die Ventilnadel wirkt, und andererseits durch eine Öffnungskraft, die hydraulisch erzeugt wird. Hierzu weist die Ventilnadel wenigstens eine Druckfläche auf, die vorzugsweise durch einen die Ventilnadel umlaufenden Absatz gebildet wird und durch den Kraftstoff im Druckraum beaufschlagt ist. Je nach dem, welche der Kräfte überwiegt, bewegt sich die Ventilnadel entweder in Anlage an den Ventilsitz oder hebt von diesem ab.
Bei modernen Brennkraftmaschinen ist es von großer Bedeutung, dass der tatsächliche Einspritzzeitpunkt genau mit dem durch die Steuerung vorbestimmten Zeitpunkt übereinstimmt. Kommt es jedoch durch die Einspritzvorgänge und das Öffnen und Schließen der Ventilnadel im Druckraum zu Druckschwingungen, ist der Druck an der Druckfläche nicht genau bestimmt und damit auch nicht die Öffnungskraft. Somit verschiebt sich der Zeitpunkt, zu dem die Öffnungskraft gleich der Schließkraft ist und der Beginn der Öffnungsbewegung der Ventilnadel. Dies verändert den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge, so dass die Verbrennung nicht optimal abläuft und gegebenenfalls die Schadstoffemissionen erhöht werden.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit dem kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass Schwankungen des Einspritzzeitpunkts vermindert werden, die durch Druckschwingungen im Druckraum hervorgerufen werden. Hierzu ist an der Ventilnadel eine Druckfläche ausgebildet, die bei Anlage der Ventilnadel am Ventilsitz über eine Drosselstelle mit dem Druckraum verbindbar ist. Auftretende Druckschwingungen werden gedämpft, so dass der Kraftstoffdruck, der effektiv auf die Druckfläche wirkt, deutlich geringere Druckschwankungen aufweist als der Druck im Druckraum. Der Zeitpunkt, zu dem die Ventilnadel bedingt durch den hydraulischen Druck auf die Druckfläche vom Ventilsitz abhebt, ist somit genau bestimmbar, so dass die Einspritzung zum optimalen Zeitpunkt beginnt .
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Drosselstelle beim Abheben der Ventilnadel vom Ventilsitz aufgesteuert . Hierdurch wird die Druckfläche nunmehr
vom vollen Kraftstoffdruck des Druckraums beaufschlagt, so dass ein schnelles Öffnen der Ventilnadel ermöglicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Drosselstelle durch einen Ringspalt zwischen dem Ventilsitz und der Ventilnadel ausgebildet. Die Drosselstelle wird so beim Abheben der Ventilnadel vom Ventilsitz rasch aufgesteuert, und die Stärke der Drosselung lässt sich durch die Breite des Ringspalts einfach einstellen.
Die Drosselwirkung hängt nicht nur von der Ausbildung der Drosselstelle ab, sondern auch vom Volumen des Raums, der durch die Drosselstelle mit dem Druckraum verbunden ist und den die Druckfläche der Ventilnadel begrenzt. Für eine weitere Optimierung ist es vorteilhaft, an der Ventilnadel eine Ringnut anzubringen, in der die Druckfläche ausgebildet ist, wobei die Ringnut die Ventilnadel auf ihrem Umfang umgibt. Über die Tiefe und Ausgestaltung der Ringnut lässt sich die Dämpfungswirkung an der Drosselstelle beeinflussen. Die Ringnut kann auch so tief ausgebildet sein, dass an ihrem äußeren Rand eine umlaufende Lippe ausgebildet ist, zwischen der und dem Ventilsitz die Drosselstelle ausgebildet ist.
Es kann auch vorgesehen sein, die Druckfläche als Teil der Ventildichtfläche auszubilden. In diesem Fall ist eine Ringnut im Ventilsitz ausgebildet, zwischen deren radial äußeren Rand und der Druckfläche an der Ventildichtfläche der Drosselspalt gebildet ist. Die Ventilnadel kann hier gegenüber den sonst verwendeten Ventilnadeln unverändert bleiben. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ventilnadel in einer Hohlnadel angeordnet, die ebenfalls mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und bei Anlage am Ventilsitz die Verbindung der Ventilnadel mit dem Druckraum unterbricht. Eine solche Hohlnadel dient der Steuerung wenigstens eines weiteren Einspritzkanals, der vom Ventilsitz abgeht. Durch das Abheben der Hohlnadel vom Ventilsitz fließt der
Kraftstoff aus dem Druckraum dieser wenigstens einen Einspritzöffnung zu und trifft dabei auch auf die Ventilnadel und deren Druckfläche. Durch diesen plötzlichen Druckanstieg im Bereich der Druckfläche sind starke Druckschwingungen zu erwarten, was durch die erfindungsgemäße Dämpfung an der Drosselstelle wirksam abgeschwächt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Ventilnadel, die von einer Hohlnadel umgeben ist, eine zusätzliche, zweite Druckfläche angeordnet, die dem Ventilsitz abgewandt zur Druckfläche ausgebildet ist. Diese zweite Druckfläche ist mit dem Druckraum über einen zwischen der Ventilnadel und der Hohlnadel ausgebildeten Ringspalt verbunden, der eine zweite Drosselstelle bildet. Durch die zusätzliche Druckfläche an der Ventilnadel kann die hydraulische Öffnungskraft auf die Druckfläche und die zweite Druckfläche aufgeteilt werden, was einen größeren Gestaltungsspielraum bei der Konstruktion eröffnet.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Kraftstoffeinspritzventil, Figur 2 eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Ausschnitts von Figur 1, Figur 3 denselben Ausschnitt wie Figur 2 eines weiteren
Ausführungsbeispiels, Figur 4 einen Längsschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil , Figur 5 eine vergrößerte Darstellung des mit V bezeichneten Ausschnitts von Figur 4 und Figur 6 eine vergrößerte Darstellung des mit VI bezeichneten Ausschnitts von Figur 5.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Figur 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Ein Ventilkörper 1 weist eine Bohrung 2 auf, die an ihrem brennraumseiti- gen Ende von einem konischen Ventilsitz 11 begrenzt wird. Vom Ventilsitz 11 geht wenigstens ein, meist aber mehrere Einspritzkanäle 14 aus, die in Einbaulage des Kraftstoffein- spritzventils in einer Brennkraftmaschine in den Brennraum derselben münden. In der Bohrung 2 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 7 längsverschiebbar angeordnet, die in einem Führungsabschnitt 102 der Bohrung 2 dichtend geführt ist. Die Ventilnadel 7 verjüngt sich dem Ventilsitz 11 zu unter Bildung einer Druckschulter 9 zu einem verjüngten Abschnitt und geht an ihrem dem Ventilsitz 11 zugewandten Ende in eine Ventildichtfläche 12 über, die im wesentlichen konisch ausgebildet ist. Zwischen der Ventilnadel 7 und der Wand der Bohrung 2 ist zwischen dem Führungsabschnitt 102 und dem Ventilsitz 11 ein Druckraum 5 ausgebildet, der über einen in der Zeichnung nicht dargestellten und im Ventilkörper 1 verlaufenden Zulaufkanal mit Kraftstoff unter hohem Druck befullbar ist.
Die Ventilnadel 7 wirkt mit ihrer Ventildichtfläche 12 so mit dem Ventilsitz 11 zusammen, dass dadurch ein Ventil gebildet wird, durch das der Druckraum 5 mit den Einspritzkanälen 14 verbunden oder diesen getrennt wird. Die Bewegung der Ventilnadel 7 erfolgt dabei durch das Gleichgewicht zweiter Kräfte: zum einen wirkt auf das dem Ventilsitz 11 abgewandte Ende der Ventilnadel 7 eine Schließkraft F, die in Richtung des Ventilsitzes 11 gerichtet ist und die Ventilnadel 7 gegen diesen presst. Bedingt durch die Schließkraft verharrt die Ventilnadel 7 beim Fehlen weiterer Kräfte in ihrer Schließstellung, verschließt also die Einspritzkanäle 14. Der Schließkraft entgegen ist eine Öffnungskraft gerichtet, die durch die hydraulische Kraft des im Druckraum
5 befindlichen Kraftstoffs auf die Ventilnadel 7 erzeugt wird. Das Verhältnis der beiden Kräfte lässt sich entweder über den Kraftstoffdruck im Druckraum 5 und/oder über eine Änderung der Schließkraft erreichen. Je nach dem, welche Kraft überwiegt, gleitet die Ventilnadel 7 in ihre Schließoder Öffnungsstellung.
Figur 2 zeigt eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts von Figur 1. Zwischen der Ventildichtfläche 12 und dem verjüngten Abschnitt der Ventilnadel 7 ist eine Ringnut 20 ausgebildet, die die Ventilnadel 7 auf ihrem gesamten Umfang umgibt. Die Ringnut 20 wird einerseits von der ersten Ringkante 22 und andererseits von der zweiten Ringkante 24 begrenzt. Zwischen dem radial äußeren Rand der Ringnut 20, also der ersten Ringkante 22, und dem Ventilsitz 11 wird bei Anlage der Ventilnadel 7 auf dem Ventilsitz 11 eine Drosselstelle 26 gebildet, über die der Ringraum, der von der Ringnut 20 und dem Ventilsitz 11 begrenzt wird, mit dem Druckraum 5 verbunden ist. Durch die Ringnut 20 wird eine Druckfläche 30 gebildet, die, neben der Druckschulter 9, bei entsprechender Druckbeaufschlagung eine Öffnungskraft auf die Ventilnadel 7 bewirkt. Die Druckfläche 30 kann hierbei eine größere oder auch kleine hydraulisch wirksame Fläche aufweisen als die Druckschulter 9. In jedem Fall ist die Schließkraft aber so bemessen, dass zum Bewegen der Ventilnadel 7 entgegen der Schließkraft die Druckbeaufschlagung sowohl der Druckschulter 9 als auch der Druckfläche 30 nötig ist. Hebt die Ventilnadel 7 vom Ventilsitz 11 ab, so wird die Drosselstelle 11 aufgesteuert und der Kraftstoff kann aus dem Druckraum 5 an der Druckfläche 30 vorbei ungehindert den Einspritzkanälen 14 zuströmen.
Die Funktionsweise der Drosselstelle 26 ist hierbei wie folgt: Während der Einspritzung fließt Kraftstoff durch den Druckraum 5 in Richtung der Einspritzkanäle zwischen der Ventildichtfläche 12 und dem Ventilsitz 11 hindurch und wird
schließlich durch die Einspritzkanäle 14 in den Brennraum eingespritzt. Durch das Schließen des Kraftstoffeinspritz- ventils bei beendigter Einspritzung, also durch das Aufsetzen der Ventilnadel 7 auf dem Ventilsitz 11, wird der in Bewegung befindliche Kraftstoff im Druckraum 5 abrupt abgebremst. Die kinetische Energie des Kraftstoffs wird in Kompressionsarbeit umgewandelt, so dass sich Druckschwingungen im Druckraum 5 ausbilden. Bis zum Beginn der nächsten Einspritzung sind diese Druckschwingungen unter Umständen noch nicht abgeklungen, so dass der Druck an der Druckfläche 30 oszilliert und sich keine definierte Öffnungskraft auf die Ventilnadel 7 ergibt. Da die Öffnungskraft somit nicht genau bekannt ist, schwankt auch der ÖffnungsZeitpunkt der Ventilnadel 7 und damit der Beginn der Einspritzung, da dieser gerade dann erreicht ist, wenn die Öffnungskraft die Schließkraft übersteigt. Durch die Drosselstelle 26 hingegen werden die Druckschwingungen im Druckraum 5 nur gedämpft in die Ringnut 20 weitergetragen, so dass an der Druckfläche 30 ein relativ gleichbleibender Druck mit nur gedämpften Druckschwingungen herrscht. Dies ermöglicht eine genau definierte Öffnungskraft auf die Ventilnadel 7, die dadurch genau zum berechneten Zeitpunkt öffnet, was insbesondere bei modernen, schnelllaufenden Brennkraftmaschinen unerlässlich ist, um eine geräusch- und schadstoffarme Verbrennung zu ermöglichen. Das Ausmaß der Dämpfung lässt sich dabei über die Größe der Drosselstelle 26 oder die Tiefe der Ringnut 20 einstellen.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils. Die Druckfläche 30 ist hier als Teil der Ventildichtfläche 12 ausgebildet, wobei sich die Druckfläche 30 zwischen der ersten Ringkante 22, die am Übergang der Ventildichtfläche 12 zum verjüngten Abschnitt der Ventilnadel 7 ausgebildet ist, und der in der Zeichnung gestrichelt dargestellten Linie erstreckt. Die gestrichelte Linie deutet hierbei die brennraumseitige Kante
einer Sitzringnut 28 an, die im Ventilsitz 11 ausgebildet ist. Zwischen der brennraumabgewandten Kante 31 der Sitzringnut 28 und der ersten Ringkante 22 ist die Drosselstelle 26 ausgebildet, die in gleicher Weise funktioniert wie die Drosselstelle 26 des in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiels. Sobald die Ventilnadel 7 vom Ventilsitz 11 abhebt, wird die Drosselstelle 26 aufgesteuert und der Kraftstoff kann ungehindert zwischen der Ventildichtfläche 12 und dem Ventilsitz 11 hindurch den Einspritzkanälen 14 zuströmen.
Figur 4 zeigt einen Längsschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil . Der Aufbau des Ventilkörpers 1 und der Bohrung 2 ist im wesentlichen identisch mit dem in Figur 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil. In der Bohrung 2 ist hier neben der Ventilnadel 7 eine weitere Ventilnadel in Form einer Hohlnadel 8 ausgebildet, in der die Ventilnadel 7 in einem brennraumseitigen, ersten Führungsbereich 35 und in einem brennraumabgewandten, zweiten Führungsbereich 36 in der Hohlnadel 8 geführt wird. Zwischen diesen Führungsbereichen 35, 36 ist an der Ventilnadel 7 ein Freistich vorgesehen, so dass hier keine Führung der Ventilnadel 7 in der Hohlnadel 8 stattfindet. Sowohl die Ventilnadel 7 als auch die Hohlnadel 8 werden zumindest zeitweise von einer Schließkraft in Richtung des Ventilsitzes 11 beaufschlagt, wobei die Schließkräfte auf das dem Ventilsitz 11 abgewandte Ende der Hohlnadel 8 und der Ventilnadel 7 aufgebracht werden, beispielsweise durch Federkraft oder hydraulische Kräfte. Im Ventilsitz 11 sind zwei Reihen von Einspritzkanälen ausgebildet, die jeweils aus mehreren Einspritzkanälen 14 bestehen und über den Umfang des Ventilkörpers 1 verteilt angeordnet sind. Sie bilden eine erste Einspritzkanalreihe 114 und eine zweite Einspritzkanalreihe 214, wobei die erste Einspritzkanalreihe 114 stromaufwärts zur zweiten Einspritzkanalreihe 214 angeordnet ist.
Die Hohlnadel 8 wirkt mit ihrer äußeren Ventildichtfläche 16 mit dem Ventilsitz 11 zusammen, so dass ein Ventil gebildet wird, das die Verbindung zwischen der ersten Einspritzkanalreihe 114 und dem zwischen der Hohlnadel 8 und der Wand der Bohrung 2 ausgebildeten Druckraum 5 steuert. In gleicher Weise wird durch die Ventildichtfläche 12 der Ventilnadel 7 und den Ventilsitz 11 ein Ventil gebildet, das die Verbindung zwischen dem Druckraum 5 und der zweiten Einspritzkanalreihe 214 öffnet und schließt, wobei dieses zweite Ventil erst wirksam wird, wenn die Hohlnadel 8 die Verbindung mit dem Druckraum 5 bereits geöffnet hat.
In Figur 5 ist der mit V bezeichnete Ausschnitt der Figur 4 nochmals vergrößert dargestellt. Die äußere Ventildichtfläche 16 der Hohlnadel 8 weist zwei Konusflächen auf, an deren Übergang eine Dichtkante 18 ausgebildet ist, so dass bei Anlage der Hohlnadel am Ventilsitz 11 eine hohe Flächenpressung in diesem Bereich auftritt und damit eine sichere Abdichtung an dieser Stelle gewährleistet ist, auch wenn im Druckraum 5 ein sehr hoher Druck herrscht. Ein Teil der äußeren Ventildichtfläche 16 der Hohlnadel 8 wird vom Kraftstoffdruck des Druckraums 5 beaufschlagt, so dass sich dadurch eine der Schließkraft entgegengesetzte Öffnungskraft auf die Hohlnadel 8 ergibt.
Die Ventilnadel 7 weist, ausgehend von der Ventildichtfläche 12, dem Ventilsitz 11 abgewandt eine Ringnut 20 auf, wie sie auch bei dem in Figur 2 dargestellten Einspritzventil vorhanden ist. In der Ringnut 20 ist die Druckfläche 30 ausgebildet, durch deren Druckbeaufschlagung eine Öffnungskraft auf die Ventilnadel 7 bewirkt wird. Neben der Druckfläche 30 ist als weitere, hydraulisch wirksame Fläche eine zweite Druckfläche 32 an der Ventilnadel 7 ausgebildet, die durch einen Absatz in der Ventilnadel 7 gebildet ist, der sich unmittelbar an den ersten Führungsabschnitt 35 der Ventilnadel 7 anschließt. Die zweite Druckfläche 32 ist durch einen
Ringspalt, der zwischen der Ventilnadel 7 und der Hohlnadel 8 ausgebildet ist, mit dem Druckraum 5 verbindbar, wobei dieser Ringspalt eine zweite Drosselstelle 34 bildet. Sowohl die Druckfläche 30 als auch die zweite Druckfläche 32 sind somit über Drosselstellen 26, 32 mit dem Druckraum 5 verbindbar. Nach Abheben der Ventilnadel 7 vom Ventilsitz 11 wird in der bereits oben beschriebenen Weise der Kraftstoffstrom zu der zweiten Einspritzkanalreihe 214 geöffnet. Eine detaillierte Ansicht dieses Bereichs ist in Figur 6 dargestellt, die eine Vergrößerung des in Figur 5 mit VI bezeichneten Ausschnitts ist.
Beim Einspritzen von Kraftstoff arbeitet das in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil wie folgt: Durch einen erhöhten Kraftstoffdruck im Druckraum 5 und/oder eine Reduzierung der Schließkraft auf die Hohlnadel 8 ergibt sich eine hydraulische Öffnungskraft auf die Druckschulter 9 und auf den Teil der äußeren Ventildichtfläche 16, der vom Kraftstoff des Druckraums 5 beaufschlagt wird. Die Hohlnadel 8 hebt daraufhin vom Ventilsitz 11 ab, und Kraftstoff fließt aus dem Druckraum 5 zu der äußeren Einspritzkanalreihe 114, durch die der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Durch das Abheben der Hohlnadel 8 vom Ventilsitz 11 wird nun die Ventilnadel 7 vom Kraftstoffdruck des Druckraums 5 beaufschlagt und hierbei insbesondere die Druckfläche 30 und die zweite Druckfläche 32. Auftretende Druckschwingungen an den Druckflächen 30, 32, die durch das rasche Öffnen der Hohlnadel 8 entstehen, werden durch die Drosselstellen 26, 32 gemildert, so dass eine definierte Öffnungskraft auf die Ventilnadel 7 ausgeübt wird. Übersteigen die hydraulischen Öffnungskräfte auf die Ventilnadel 7 die Schließkraft, so hebt auch die Ventilnadel 7 vom Ventilsitz 11 ab und die zweite Einspritzkanalreihe 214 wird freigegeben. Beim Schließen des Kraftstoffeinspritzventils zum Ende der Einspritzung wird der Druck im Druckraum 5 erniedrigt oder die Schließkraft auf die Ventilnadel 7 und die
Hohlnadel 8 erhöht. Hierdurch gleiten diese zurück in ihre Schließstellung und die Einspritzung ist beendet.