Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen Stand der Technik Es wird von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraft- maschinen ausgegangen, wie es dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 100 31 265 AI beschrieben und weist einen Ventilkörper auf, in dem eine Bohrung ausgebildet ist. Die Bohrung wird an ihrem brenn- raumseitigen Ende von einem Ventilsitz begrenzt, von dem we- nigstens eine Einspritzöffnung abgeht, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum der Brennkraft- maschine mündet. In der Bohrung ist eine kolbenförmige Ven- tilnadel längsverschiebbar angeordnet, die an ihrem brenn- raumseitigen, also dem dem Ventilsitz zugewandten Ende, eine Ventildichtfläche aufweist mit der die Ventilnadel mit dem Ventilsitz zusammenwirkt. Hierbei wird in Schließstellung der Ventilnadel, das ist, wenn die Ventilnadel mit ihrer Ventildichtfläche auf dem Ventilsitz aufliegt, die Ein- spritzöffnungen verschlossen, während bei vom Ventilsitz ab- gehobener Ventilnadel Kraftstoff zwischen der Ventildicht- fläche und dem Ventilsitz hindurch den Einspritzöffnungen zufließt und von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschi- ne eingespritzt wird.

Die Längsbewegung der Ventilnadel in der Bohrung erfolgt durch das Verhältnis zweier Kräfte : Zum einen eine hydrauli- sche Kraft, die durch den Druck im Druckraum, der zwischen der Wand der Bohrung und der Ventilnadel ausgebildet und mit Kraftstoff befüllt ist, so dass eine hydraulische Kraft auf die Ventilnadel ausgeübt wird. Zum anderen wirkt eine Schließkraft auf die Ventilnadel, die auf das brennraumabge- wandte Ende der Ventilnadel mittels einer geeigneten Vor- richtung ausgeübt wird. Die hydraulische Kraft auf die Ven- tilnadel hängt von der effektiven, vom Kraftstoff beauf- schlagten Fläche ab, bei der sich eine Kraftkomponente in Längsrichtung ergibt. Der Öffnungsdruck des Kraftstoffein- spritzventils, also der Kraftstoffdruck im Druckraum, bei dem die hydraulische Kraft auf die Ventilnadel gerade aus- reicht, diese entgegen einer gegebenen Schließkraft in Längsrichtung vom Ventilsitz wegzubewegen, hängt also unter anderem von der Auflagelinie der Ventilnadel auf dem Ventil- sitz ab, dem sogenannten hydraulisch wirksamen Sitzdurchmes- ser, weil davon die vom Kraftstoffdruck beaufschlagte Teil- fläche der Ventildichtfläche abhängt. Durch Verschleiß zwi- schen Ventildichtfläche und Ventilsitz kommt es im Verlauf der Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils zu einer Än- derung dieser Fläche und damit zu einer Änderung des hydrau- lisch wirksamen Sitzdurchmessers. Dadurch ändert sich auch der Öffnungsdruck, was sich in einer geänderten Öffnungsdy- namik der Ventilnadel niederschlägt. Dadurch ändern sich auch der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge des Kraftstoffs, was bei modernen, schnelllaufenden Brennkraft- maschinen zu Problemen führen kann, insbesondere hinsicht- lich des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kenn- zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegen- über den Vorteil auf, dass bei unveränderter Geometrie der Ventilnadel ein konstanter Öffnungsdruck über die gesamte Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils aufrecht erhalten werden kann. Hierzu weist der Ventilsitz zwei konische Teil- flächen auf, von denen die zweite konische Teilfläche strom- abwärts der ersten konischen Teilfläche angeordnet ist. Die zweite konische Teilfläche ist gegenüber der ersten koni- schen Teilfläche erhaben, so dass die Ventilnadel in Schließstellung an der zweiten konischen Teilfläche zur An- lage kommt, und die Kante am Übergang der ersten konischen Teilfläche zur zweiten konischen Teilfläche den hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser definiert.

Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung möglich.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung weist die zweite konische Teilfläche denselben Öffnungswinkel auf wie die erste konische Teilfläche. Da- durch lassen sich beide konischen Teilflächen mit demselben Werkzeug herstellen, was bei der Herstellung eine Neujustage des Fräs-oder Schleifwerkzeugs erspart.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite konische Teilfläche gegenüber der ersten konischen Teilflä- che vorzugsweise um 2 um bis 20 um erhaben. Durch eine sol- che Abstufung ist die Konstanz des Öffnungsdrucks gegeben, ohne dass sich die Stabilitätsverhältnisse im Ventilkörper im Bereich des Ventilsitzes ändern.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist am Ventil- sitz stromabwärts der zweiten konischen Teilfläche eine dritte konische Teilfläche ausgebildet, die gegenüber der zweiten konischen Teilfläche zurückgesetzt ist. Dadurch wird die Ventilsitzfläche, auf der die Ventilnadel aufsitzen kann, auch stromabwärts durch einen Absatz begrenzt. So er- geben sich genau definierte hydraulische Verhältnisse an der Berührungsfläche von Ventilnadel und Ventilsitz.

Besonders vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Ausgestal- tungen des Ventilsitzes, wenn die Ventilnadel eine Dichtkan- te aufweist, die zwischen zwei Konusdichtflächen ausgebildet ist und die in Schließstellung der Ventilnadel an der zwei- ten konischen Teilfläche anliegt. Dies gewährleistet die Konstanz des Öffnungsdrucks auch über sehr lange Betriebs- zeiträume.

Zeichnung In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele ei- nes erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils darge- stellt. Es zeigt Figur 1 Ein Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt, Figur 2 Eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Aus- schnitts von Figur 1 im Bereich des Ventilsitzes, Figur 3 Eine Vergrößerung des mit III bezeichneten Aus- schnitts von Figur 2 und Figur 4 zeigt den gleichen Ausschnitt wie Figur 2, wobei hier das Kraftstoffeinspritzventil im Bereich des Ventilsitzes als sogenannte Sacklochdüse ausgebil- det ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzven- til im Längsschnitt dargestellt. In einem Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 3 ausgebildet, in der eine kolbenförmige Ven- tilnadel 5 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Ventilnadel 5 wird hierbei mit einem brennraumabgewandten Führungsab- schnitt 15 in einem Führungsabschnitt 23 der Bohrung 3 dich- tend geführt. Ausgehend vom Führungsabschnitt 15 verjüngt sich die Ventilnadel 5 dem Brennraum zu unter Bildung einer Druckschulter 13 und geht an ihrem brennraumseitigen Ende in eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 7 über. Zwi- schen der Ventilnadel 5 und der Wand der Bohrung 3 ist ein Druckraum 19 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 13 radial erweitert ist. In diese radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet eine im Ventilkörper 1 verlaufende Zu- laufbohrung 25, über die der Druckraum 19 mit Kraftstoff un- ter hohem Druck befüllbar ist. Die Bohrung 3 wird an ihrem brennraumseitigen Ende von einem Ventilsitz 9 begrenzt, von dem wenigstens eine Einspritzöffnung 11 abgeht, die in Ein- baulage des Kraftstoffeinspritzventils in einer Brennkraft- maschine in deren Brennraum mündet.

In Figur 2 ist eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts von Figur 1 dargestellt. Die Ventildichtfläche 7 der Ventilnadel 5 unterteilt sich in eine erste Konusdicht- fläche 107 und eine zweite Konusdichtfläche 207, an deren Ü- bergang durch unterschiedliche Öffnungswinkel der beiden Ko- nusdichtflächen 107,207 eine Dichtkante 17 ausgebildet ist.

Der Ventilsitz 9 ist im wesentlichen konisch ausgebildet und umfasst drei konische Teilflächen, wobei die erste konische Teilfläche 109 an die zweite konische Teilfläche 209 und diese wiederum an die dritte konische Teilfläche 309 grenzt.

Die zweite konische Teilfläche 209 ist gegenüber der ersten konischen Teilfläche 109 erhaben und bezüglich der Ventilna- del 5 so positioniert, dass in Schließstellung der Ventilna- del 5, wenn diese an Ventilsitz 9 anliegt, die Dichtkante 17 an der zweiten konischen Teilfläche 209 zur Anlage kommt.

Figur 3 zeigt eine Vergrößerung des mit III bezeichnetem Ausschnitts von Figur 2, stellt also den entscheidenden Teil des Ventilsitzes 9 nochmals vergrößert dar. Zwischen der ersten konischen Teilfläche 109 und der zweiten konischen Teilfläche 209 ist ein erster Ringabsatz 21 ausgebildet, der den hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser begrenzt. Dieser spielt für das Öffnungsverhalten des Kraftstoffeinspritzven- tils eine entscheidende Rolle : Die Längsbewegung der Ventil- nadel 5 in der Bohrung 3 wird durch das Verhältnis zweier Kräfte bestimmt : Zum einen einer Schließkraft, die auf das brennraumabgewandte Ende der Ventilnadel mittels einer, in der Zeichnung nicht dargestellten, geeigneten Vorrichtung ausgeübt wird. Zum anderen wirkt auf die Ventilnadel 5 eine hydraulischen Öffnungskraft, die der Schließkraft entgegen gerichtet ist und die durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 19 auf die Ventilnadel 5 ausgeübt wird. Die Flächen der Ven- tilnadel 5, bei deren Druckbeaufschlagung sich eine in Längsrichtung wirkende resultierende Kraftkomponente ergibt, sind vor allem die Druckschulter 13 und Teile der Ventil- dichtfläche 7. Ist die Schließkraft konstant, so ist hier- durch der Öffnungsdruck gegeben, also der Kraftstoffdruck im Kraftraum 19, bei dem die Ventilnadel 5 ihre Öffnungshubbe- wegung beginnt.

Bei ideal steifen Verhältnissen, also wenn sich weder die Ventilnadel 5 noch der Ventilsitz 9 verformt, würde die Dichtkante 17 der Ventilnadel 5 den hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser definieren. Die gesamte Fläche der Ventil- dichtfläche 7, die stromaufwärts der Dichtkante 17 liegt, in diesem Ausführungsbeispiel also die erste Konusdichtfläche 107, würde vom Kraftstoffdruck beaufschlagt, so dass dadurch der hydraulische Öffnungsdruck festgelegt wäre. Durch das Einhämmern der Ventilnadel 5 in den Ventilsitz 9 kommt es mit der Zeit jedoch zu einer flächenhaften Berührung zwi- schen der Ventildichtfläche 7 und dem Ventilsitz 9, so dass sich auch der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser ändert, und zwar in der Weise, dass die druckbeaufschlagte Fläche kleiner wird, wodurch der Öffnungsdruck steigt. Durch die Ausbildung der erhabenen zweiten konischen Teilfläche 209 am Ventilsitz 9 kann dieser hydraulische Sitzdurchmesser jedoch nur bis zum ersten Ringabsatz 21 ansteigen, so dass auch bei längerem Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils der Öff- nungsdruck unverändert bleibt. Durch den zwischen der zwei- ten konischen Teilfläche 209 und der dritten konischen Teil- fläche 309 ausgebildeten zweiten Ringabsatz 22 wird die Flä- che, auf der die Ventilnadel 5 aufliegt, den Einspritzöff- nungen zu begrenzt, so dass genau definierte hydraulische Verhältnissen am Ventilsitz herrschen. Eventuell auftretende adhäsive Kräfte zwischen Ventilnadel und Ventilsitz bleiben so konstant. Figur 4 zeigt denselben Ausschnitt wie Figur 2 eines anderen Kraftstoffeinspritzventils, das eine etwas veränderte Sitz- geometrie aufweist. Wie schon beim Ausführungsbeispiel, das in Figur 2 und in Figur 3 dargestellt ist, ist die dritte konische Teilfläche 309 gegenüber der zweiten konischen Teilfläche 209 zurückgesetzt, so dass ein zweiter Ringabsatz 22 gebildet wird. Die dritte konische Teilfläche 309 geht in ein Sackloch 30 über, von dem die Einspritzöffnungen 11 ab- gehen. Die Ventilnadel 5 weist eine etwas veränderte Ventil- dichtfläche 7 auf, an der zwar weiterhin eine erste Konus- dichtfläche 107 und eine zweite Konusdichtfläche 207 ausge- bildet sind, jedoch ist zwischen diesen beiden Konusdicht- flächen 107,207 eine Ringnut 27 ausgebildet. Am Übergang zwischen der Ringnut 27 und der ersten Konusdichtfläche 107 ist die Dichtkante 17 ausgebildet, die in Schließstellung der Ventilnadel 5 an der zweiten konischen Teilfläche 209 zur Anlage kommt. Durch die zurückgesetzte dritte Teilkonus- fläche 309 erreicht man zwei Dinge : zum einen eine geometri- sche Begrenzung der effektiven Sitzfläche auf die zweite ko- nische Teilfläche 209, was die hydraulischen Verhältnisse im Spalt zwischen dem Ventilsitz 9 und der Ventildichtfläche 7, insbesondere ganz zu Beginn der Öffnungshubbewegung, genau definiert und damit berechenbar macht. Zum anderen ergibt sich durch die zurückgesetzte dritte konischen Teilfläche 309 eine Verringerung der Drosselwirkung für den in das Sackloch 30 einströmenden Kraftstoff, der andernfalls am Ü- bergang der dritten konischen Teilfläche 309 zum Sackloch 30 stark abgedrosselt würde, was einen verringerten Einspritz- druck an den Einspritzöffnungen 11 bewirken würde.

Die Höhe d des Ringabsatzes 21, wie er in Figur 3 darge- stellt ist, beträgt vorzugsweise 2 um bis 20 um, was sicher- stellt, dass einerseits der hydraulisch wirksame Sitzdurch- messer genau bestimmt ist und andererseits die Stabilitäts- verhältnisse im Bereich des Ventilsitzes 9 des Ventilkörpers 1 unverändert bleiben. Die Breite a der zweiten konischen Teilfläche, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, beträgt vor- zugsweise 0,2 mm bis 0,5 mm.

Bei der Gestaltung der Öffnungswinkel der konischen Teilflä- chen 109,209, 309 des Ventilsitzes 9 ergeben sich größere Freiheiten. Es kann zum einen vorgesehen sein, dass sämtli- che konischen Teilflächen 109,209, 309 einen identischen Öffnungswinkel aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass jeweils leicht unterschiedliche Öffnungswinkel vorlie- gen, um die Einströmverhältnisse des Kraftstoffs im Spalt zwischen dem Ventilsitz 9 und der Ventildichtfläche 7 zu op- timieren, insbesondere, um die Einlaufbedingungen des Kraft- stoffs in das Sackloch 30, wie es bei einem Kraftstoffein- spritzventil nach der in Figur 4 gezeigten Art der Fall ist, optimal zu gestalten.