Kraftstoffe i ns ritz venti I mit hydraulisch gedämpftem Steuerventil

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, wie es beispielsweise zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer schnelllaufenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine verwendet wird.

Stand der Technik

Zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine sind seit längerem sogenannte Common Rai! Systeme bekannt. Dabei wird Kraftstoff durch eine Pumpe auf einen hohen Druck verdichtet, meist zwischen 500 und

2000 bar, und dieser Kraftstoff in einem sogenannten Rail gespeichert und vorgehalten. Von diesem Rail geht für jeden Brennraum der Brennkraftmaschinen eine Hochdruckleitung ab, die das Rail mit jeweils einem, in den Brennraum ragenden Kraftstoffe i ns p ritz ve nti I verbindet, durch welches der verdichtete Kraftstoff getaktet eingespritzt wird.

Die Einspritzung von Kraftstoff mit dem Kraftstoffeinspritzventil wird dabei durch eine Düsennadel gesteuert, die längsbeweglich im Kraftstoffeinspritzventil angeordnet ist und den Zufluss von verdichtetem Kraftstoff zu einer oder zu mehreren Einspritzöffnungen steuert. Die Düsennadel wird dabei hydraulisch bewegt, das heißt, es ist ein Steuerraum vorhanden, in dem mittels eines Steuerventils ein wechselnder Kraftstoffdruck einstellbar ist und der eine Schließkraft auf die Düsennadel ausübt. Dazu wird der Steuerraum zum gewünschten Einspritzzeitpunkt mit einem Niederdruckraum verbunden, so dass der Kraftstoffdruck dort abnimmt und sich die Düsennadel in ihre Öffnungsstellung bewegt und so die Einspritzöff- nungen freigibt.

Aus der DE 10 2008 001 330 AI ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das nach dem oben beschriebenen Prinzip arbeitet. Das Steuerventil ist dabei folgender- maßen aufgebaut: In einem Steuerventilraum ist ein Steuerventilkolben ausgebildet, der einen Schaftteil und ein im Wesentlichen kegelstumpfförmiges Kopfteil aufweist, an dem eine Ventildichtfläche ausgebildet ist. Diese Ventildichtfläche wirkt mit einem Steuerventilsitz zusammen und öffnet oder verschließt so die Verbindung des Steuerventilraums mit einem Niederdruckraum innerhalb des Kraftstoffe! ns ritz ve ntils. Da der Steuerventilraum mit einem Steuerraum verbunden ist, dessen Kraftstoffdruck zumindest mittelbar auf die Ventilnadel wirkt und eine Schließkraft auf diese ausübt, kann so mittels des Steuerventils der Kraftstoffdruck im Steuerraum und damit die Schließkraft auf die Ventilnadel gesteuert werden.

Das bekannte Steuerventil muss mit hoher Geschwindigkeit schalten, da die gesamte Kraftstoffeinspritzung in der Regel nur wenige Millisekunden andauert und zumeist noch in mehrere Teileinspritzungen unterteilt ist, zwischen denen das Kraftstoffeinspritzventil und damit auch das Steuerventil geschlossen und wieder geöffnet werden muss. Dies ist nur möglich, indem der Steuerventilkolben mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird, wozu wiederum hohe Kräfte notwendig sind. Beim Schließen des Steuerventils setzt der Steuerventilkolben deshalb mit hoher Geschwindigkeit auf dem Steuerventilsitz auf, wodurch sich am Steuerventilsitz und an der Ventildichtfläche Verschleiß einstellt, der die Funktion des Steuerventils im Laufe der Zeit beeinträchtigen kann.

Zur Verminderung des Verschleißes ist unter anderem aus der WO 2010/116221 AI bekannt, die Ventildichtfläche oder den Steuerventilsitz mit einer verschleißmindernden Beschichtung zu versehen, beispielsweise mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht. Dadurch lässt sich der Verschleiß zwar wirksam mindern, jedoch ist das Aufbringen dieser Schicht teuer und darüber hinaus besteht immer die Gefahr, dass sich die Schicht im Laufe des Betriebs vom Untergrund löst und damit ihre verschleißmindernden Eigenschaften einbüßt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoff ei ns p ritz ve nti I weist zwischen der Ventildichtfläche und dem Steuerventilsitz einen Dämpfungsspalt auf. Beim Schließen des Steuerventils wird der zwischen dem Steuerventilsitz und der Ventildichtfläche be- findliche Kraftstoff verdängt, bis der Steuerventilkolben auf dem Steuerventilsitz aufliegt und die Verbindung zwischen dem Steuerventilraum und dem Leckölraum verschließt. Durch die Ausbildung des Dämpfungsraums verbleibt zwischen den beiden Flächen ein Kraftstoffpolster, das beim Schließvorgang des Steuerventils nur allmählich verdrängt wird, so dass der Steuerventilkolben gedämpft auf dem Steuerventilsitz aufsetzt. Dies führt zu einem geringeren Verschleiß zwischen dem Steuerventilkolben und dem Steuerventilsitz und somit zu einer verlässlichen Funktion über die gesamte Lebensdauer des Steuerventils bzw. des Kraftstoffeinspritzventils.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist die Ven- tildichtfläche konkav nach innen gewölbt, während der gegenüberliegende Steuerventilsitz als gerade Kegelfläche ausgebildet ist, so dass zwischen dem Steuerventilsitz und der Ventildichtfläche der Dämpfungsspalt gebildet wird. Durch die Ausbildung der konkaven Wölbung ergibt sich ein Kraftstoffpolster, das beim Schließen des Steuerventils weitgehend in den Steuerventilraum als auch in den Leckölraum verdrängt wird, jedoch verbleibt Kraftstoff in dem durch die Wölbung gebildeten Dämpfungsspalt, so dass das Steuerventilglied gedämpft aufsetzt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ventildichtfläche als gerade Kegelfläche und der Steuerventilsitz konkav gewölbt ausgebildet sind, wodurch sich ebenfalls ein Dämpfungsspalt bildet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ventildichtfläche mit einer konkaven Wölbung und der Steuerventilsitz mit einer konvexen Wölbung ausgebildet, so dass zwischen der Ventildichtfläche und dem Steuerventilsitz zwei ringförmige Dichtbereiche 60, 62 gebildet werden, die den Dämpfungsraum begren- zen. Durch die Ausbildung der konvex-konkaven Form wird der Kraftstoff effektiv aus dem Spalt zwischen der Ventildichtfläche und dem Steuerventilsitz verdrängt, um eine gute Dichtwirkung zu erzielen, jedoch wird trotzdem eine gute Dämpfungswirkung erzielt. Um eine ausreichende Dämpfungswirkung zu erzielen, ohne die Funktionalität durch einen übergroßen Dämpfungsspalt zu beeinträchtigen, hat sich eine Höhe des Dämpfungsspaltes von 0,5 bis 2 pm als optimal erwiesen, vorzugsweise eine Höhe von 0,5 bis 1 μηπ. Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoff - einspritzventils dargestellt. Es zeigen

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil, wobei nur die wesentlichen Komponenten dargestellt sind,

Figur 2 eine Ausschnittsvergrößerung von Figur 1 im Bereich des Steuerventils,

Figur 3 eine Ausschnittsvergrößerung des mit III bezeichneten Ausschnitts von Figur 2 und

Figur 4 eine weitere Ausschnittsvergrößerung des mit IV bezeichneten Ausschnitts von Figur 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Komponenten dargestellt sind. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Haltekörper 3, einen Ventilkörper 4, eine Drosselplatte 5 und einen Düsenkörper 6 umfasst, die in dieser Reihenfolge aneinander anliegen und durch eine Spannmutter 8 gegeneinander ge- presst werden. Im Düsenkörper 6 ist ein Druckraum 25 ausgebildet, in dem eine kolbenförmige Düsennadel 26 längsbewegbar angeordnet ist. Die Düsennadel 26 weist an ihrem brennraumseitigen Ende einen im Wesentlichen konischen Dü- sennadelsitz 28 auf, mit dem die Düsennadel 26 mit einem ebenfalls im Wesentlichen konischen Körpersitz 29 zusammenwirkt und dadurch einen Durchflussquerschnitt zwischen dem Druckraum 25 und mehreren Einspritzöffnungen 30 durch die Längsbewegung der Düsennadel 26 öffnet und schließt. Die Düsennadel 26 ist in einem mittleren Abschnitt des Druckraums 25 geführt, wobei der Kraftstofffluss durch den Druckraum 25 an der Düsennadel 26 vorbei in Richtung der Einspritzöffnungen 30 durch mehrere Anschliffe 32 an der Düsennadel 26 sicher gestellt ist.

Die Düsennadel 26 ist an ihrem körpersitzabgewandten Ende in einer Führungshülse 35 geführt, wobei zwischen der Führungshülse 35 und einer an der Düsen- nadel 26 angeordneten Schulter 34 unter Zwischenlage eines Halterings 36 eine Feder 33 unter Druckvorspannung angeordnet, die die Düsennadel 26 in Richtung des Körpersitzes 29 beaufschlagt. Durch die Düsennadel 26, die Führungshülse 35 und die Drosselscheibe 5 wird ein Steuerraum 37 begrenzt, der über ei- ne Zulaufdrossel 40 mit einem Hochdruckkanal 13 verbunden ist, im Haltekörper

3, dem Ventilkörper 4, der Drosselscheibe 5 und dem Düsenkörper 6 verläuft. Im Hochdruckkanal 13 wird stets Kraftstoff unter hohem Druck vorgehalten, der beispielsweise durch ein Rail eines Common- Rail-Systems zur Verfügung gestellt wird. Durch den Druck im Steuerraum 37 ergibt sich eine hydraulische Schließ- kraft auf die Düsennadel 26, die diese in Richtung des Körpersitzes 29 drückt und damit die Einspritzöffnungen 30 verschließt. Erst wenn sich der Druck im Steuerraum 37 deutlich unter den Druck im Hochdruckkanal 13 erniedrigt, wird die Düsennadel 26 durch die hydraulischen Kräfte im Druckraum 25 vom Körpersitz 29 wegbewegt.

Die Steuerung des Kraftstoffdrucks im Steuerraum 37 geschieht durch ein Steuerventil 15, das im Ventilkörper 4 angeordnet ist. Das Steuerventil 15 weist einen Steuerventilraum 17 auf, der mit dem Steuerraum 37 über eine Ablaufdrossel 41 verbunden ist. Im Steuerventilraum 17 ist ein Steuerventilkolben 20 längsbeweg- lieh angeordnet, der in einer Hülse 22 dicht geführt ist, wobei zwischen dem

Steuerventilkolben 20 und der Hülse 22 eine Schließfeder 18 unter Druckvorspannung angeordnet ist, die den Steuerventilkolben 20 in Richtung eines im Ventilkörper 4 ausgebildeten Steuerventilsitzes 52 drückt. Der Steuerventilraum 17 ist je nach Stellung des Steuerventilkolbens 20 mit einem Leckölraum 12 ver- bunden oder von diesem getrennt, wobei der Leckölraum 12 im Haltekörper 3 ausgebildet ist und einen hydraulischen Koppler 10 aufnimmt, der mit dem Steuerventilkolben 20 verbunden ist. Über diesen hydraulischen Koppler 10 wird die Bewegung eines in der Zeichnung nicht dargestellten Piezoaktors auf den Steuerventilkolben 20 übertragen, so dass dieser gesteuert durch den Piezoaktor eine Längsbewegung im Steuerventilraum 17 ausführt. Neben der Verwendung des

Piezoaktors ist es auch möglich, einen anderen elektrischen Aktor, etwa einen Magnetaktor zur Bewegung des Steuerkolbens 20 zu verwenden.

In Figur 2 ist eine Vergrößerung des Steuerventils 15 aus Figur 1 dargestellt. Der Steuerventilkolben 20 weist einen Schaft 120 mit einer Längsachse 21 auf, der in der Hülse 22 geführt ist. An dem der Drosselplatte 5 abgewandten Ende weist der Steuerventilkolben ein Kopfteil 220 auf, so dass eine im Wesentlichen konische Ventildichtfläche 50 gebildet wird, mit der der Steuerventilkolben 20 mit einem Steuerventilsitz 52 zusammenwirkt und dadurch die Verbindung zwischen dem Steuerventilraum 17 und dem Leckölraum 12 durch seine Längsbewegung öffnet oder schließt. Der mit III bezeichnete Ausschnitt von Figur 2 ist in Figur 3 nochmals vergrößert dargestellt. Um den Zwischenraum zwischen dem Steuerventilkolben 20 und der Hülse 22 drucklos zu halten, ist in der Drosselscheibe 5 ein Rücklauf 43 vorgesehen. Nur wenn dieser Zwischenraum drucklos ist, heben sich die hydraulischen Kräfte auf den Steuerventilkolben 20 weitgehend auf, wenn der Steuerventilkolben 20 in seiner Schließstellung am Steuerventilsitz 52 ist.

Die Bewegung des Steuerventilkolbens 20 im Steuerventilraum 17 geschieht durch die Aktivierung des Piezoaktors, wodurch der Steuerventilkolben 20 in Richtung der Drosselscheibe 5 bewegt wird und mit seiner Ventildichtfläche 50 vom Steuerventilsitz 52 abhebt. Dadurch wird zwischen dem Steuerventilsitz 52 und der Ventildichtfläche 50 ein Spalt aufgesteuert, durch den der Steuerventilraum 17 mit dem Leckölraum 12 verbunden wird, so dass der Druck im Steuerventilraum 17 sehr rasch abfällt. Wegen der Verbindung des Steuerventilraums 17 mit dem Steuerraum 37 über die Ablaufdrossel 41 fällt auch im Steuerraum 37 der Kraftstoffdruck ab, wobei die Zulaufdrossel 40 und die Ablaufdrossel 41 so aufeinander abgestimmt sind, dass bei geöffnetem Steuerventil 15 mehr Kraftstoff über die Ablaufdrossel 41 in den Leckölraum 12 abfließt als über die Zulaufdrossel 40 zufließen kann. Durch die Erniedrigung des Kraftstoff drucks im Steuerraum 37 öffnet die Düsennadel 26, und Kraftstoff wird durch die Einspritzöffnungen 30 ausgespritzt. Wird das Steuerventil 15 wieder geschlossen, so baut sich im Steuerventilraum 17 und im Steuerraum 37 erneut der hohe Kraftstoffdruck des Hoch- druckkanals 13 auf, worauf die Düsennadel 26 die Einspritzöffnungen 30 wieder verschließt. In Figur 4 ist eine weitere Ausschnittsvergrößerung des mit IV bezeichneten

Ausschnitts von Figur 3 dargestellt. Die Ventildichtfläche 50 am Steuerventilkolben 20 ist konkav gewölbt und zeigt im Querschnitt betrachtet - wie hier dargestellt - einen Rundungsradius R _d . Der gegenüber liegende Steuerventilsitz 52 ist hingegen konvex gewölbt, wobei sich im Querschnitt betrachtet ein Rundungsra- dius R _s ergibt. Hierbei ist R _d kleiner als R _s , so dass sich ein ersten Dichtbereich

60 und ein zweiter Dichtbereich 62 ergeben, die beide kreisförmig sind und an denen der Steuerventilkolben 20 auf dem Steuerventilsitz 52 aufliegt. Durch die konvexe bzw. konkave Wölbung von Steuerventilsitz 52 und Ventildichtfläche 50 wird ein Drosselspalt 55 gebildet, der auch bei geschlossenem Steuerventil 15 immer mit Kraftstoff gefüllt bleibt. Beim Schließen des Steuerventils 15 bewegt sich der Steuerventilkolben 20 auf den Steuerventilsitz 52 zu und verdrängt den dazwischen liegenden Kraftstoff in den Steuerventilraum 17 bzw. in den Lecköl- raum 12. Die größte Annäherung zwischen dem Steuerventilkolben 20 und dem Steuerventilsitz 52 wird im Bereich der beiden Dichtbereiche 60, 62 erreicht, während sich noch eine Kraftstoffmenge - begrenzt durch die beiden Dichtbereiche 60, 62 - zwischen dem Steuerventilsitz 52 und der Ventildichtfläche 50 befindet.

Dieser Kraftstoff muss nun durch die immer enger werdenden Spalte bei den Dichtbereichen 60, 62 verdrängt werden, so dass der Druck im Dämpfungsspalt 55 ansteigt und die Bewegung des Steuerventilkolbens 20 etwas abbremst, so dass dieser gedämpft auf dem Steuerventilsitz 52 aufsetzt. Da auf diese Weise ein hartes Aufsetzen auf dem Steuerventilsitz 52 vermieden wird, verschleißt der

Steuerventilkolben 20 weniger stark und behält seine Funktionalität über einen wesentlich größeren Zeitraum als ohne eine solche Dämpfungsfunktion.

Neben der Ausbildung von Ventildichtfläche 50 und Steuerventilsitz 52 wie in Fi- gur 4 dargestellt kann es auch vorgesehen sein, nur die Ventildichtfläche 50 konkav zu wölben, während der Steuerventilsitz 52 als gerade Kegelfläche ausgebildet ist. Die Dämpfungswirkung tritt auch in diesem Fall ein und bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die Fertigung günstiger ist, da in aller Regel eine gerade Kegelfläche einfacher zu fertigen ist als eine bestimmte Wölbung auszubilden. Ebenso ist der umgekehrte Fall denkbar, bei dem der Steuerventilsitz 52 konkav gewölbt ist und die Ventildichtfläche 50 als gerade Kegelfläche ausgebildet ist.

Die Dämpfung darf bei dem erfindungsgemäßen Steuerventil 15 nicht zu stark werden, um ein sicheres und schnelles Schließen zu gewährleisten. Es hat sich deshalb ein Dämpfungsspalt 55 mit einer maximalen Höhe h von 0,5 bis 2 m als sinnvoll erwiesen, vorzugsweise eine Höhe h von 0,5 bis 1 μηι. Bei einer Sitzbreite s von etwa 0,25 mm, was dem Abstand der beiden Dichtbereiche 60, 62 entspricht, führt ein Rundungsradius R _d von etwa 1,45 mm und ein Rundungsradius R _s des Steuerventilsitzes 52 von etwa 1,6 mm zu einem guten Ergebnis. Hierbei sollte der Winkel a, den die Ventildichtfläche 50 mit der Längsachse 21 des Steuerventilkolbens 20 einschließt, etwa 120° bis 130° betragen. Bei anderen Sitzwin- kein müssen gegebenenfalls die Radien der konkaven bzw. konvexen Wölbungen angepasst werden, um den gewünschten Dämpfungseffekt zu erreichen.