Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es vorzugsweise zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einen selbstzündenden Brennkraftmaschine verwendet wird

Stand der Technik

Kraftstoffeinspritzventile, die mit zwei ineinander geführten Ventilnadeln arbeiten, wobei die innere Ventilnadel in der äußeren Ventilnadel geführt ist, sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. So ist aus der Offenlegungsschrift DE-OS 27 11 391 ein

Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das eine äußere Ventilnadel und eine in der äußeren geführte innere Ventilnadel aufweist. Beide Ventilnadeln steuern die öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung, indem sie eine Längsbewegung ausführen. Die Längsbewegung der Ventilnadeln wird hierbei durch den Kraftstoffdruck gesteuert, der an verschiedenen Druckflächen der Ventilnadeln angreift und diese entgegen einer von Federn erzeugten

Schließkraft in Längsrichtung verschiebt. Dadurch werden Einspritzöffnungen freigegeben, die von einem Ventilsitz ausgehend, so dass eine Einspritzung entweder durch sämtliche Einspritzöffnungen oder, wenn nur eine der Ventilnadeln geöffnet ist, lediglich durch einen Teil der Einspritzöffnungen erfolgt.

Es kann hierbei vorgesehen sein, dass zuerst die äußere Ventilnadel öffnet und damit die äußeren Einspritzöffnungen zuerst freigibt. Erst nach dem Abheben der äußeren Ventilnadel öffnet gegebenenfalls die innere Ventilnadel, so dass dann sämtliche Einspritzöffnungen freigegeben sind. Wie in der DE-OS 27 11 391 gezeigt, ist es jedoch auch mög- lieh, die Ventilnadeln in umgekehrter Reihenfolge zu öffnen. Hierzu wird der Zwischen-

räum, der zwischen der äußeren und der inneren Ventilnadel ausgebildet ist, durch öffnungen in der äußeren Ventilnadel mit einem Druckraum verbunden, der die äußere Ventilnadel umgibt. Dadurch findet der Druckaufbau nicht nur im Druckraum, sondern auch im Zwischenraum statt, so dass bei entsprechend ausgestalteten Druckflächen und ent- sprechend dimensionierten Schließfedern zuerst die innere Ventilnadel öffnet und erst anschließend gegebenenfalls die äußere Ventilnadel.

Der Stand der Technik weist hierbei jedoch den Nachteil auf, dass der Kraftstoff nur gedrosselt zu den inneren Einspritzöffnungen strömt, wenn die innere Ventilnadel, nicht a- ber die äußere Ventilnadel in öffnungsstellung ist. Dies ist dadurch bedingt, dass der

Zwischenraum als Strömungsquerschnitt dient und dieser nicht beliebig groß gestaltet werden kann, da ansonsten die mechanische Stabilität der inneren Ventilnadel gefährdet wäre. Zur Minderung des Strömungswiderstands können die öffnungen in der äußeren Ventilnadel möglichst weit in Richtung der Einspritzöffnungen verlegt werden, jedoch ist dies nur sehr begrenzt möglich, da dies die mechanische Stabilität der äußeren Ventilnadel beeinträchtigen würde.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs

1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine ungedrosselte Zufuhr von Kraftstoff zu den inneren Einspritzöffnungen gewährleistet ist, auch dann, wenn nur die innere Ventilnadel geöffnet ist. Um dies zu erreichen ist neben einem Querkanal, der relativ weit vom Ventilsitz entfernt in der äußeren Ventilnadel ausgebildet ist und der den Druckraum mit dem Zwischenraum verbindet, ventilsitznah eine Vielzahl von Querbohrungen ausgebildet, die ebenfalls eine Verbindung des Druckraums zum Zwischenraum herstellen. Die Querbohrungen haben hierbei einen sehr geringen Durchmesser, der vorzugsweise kleiner als 200 μm ist und damit deutlich kleiner als der Durchmesser des Querkanals. Damit ergibt sich praktisch keine mechanische Schwächung der äußeren Ventilnadel durch die Querbohrungen. Um einen genügend großen Strömungsquerschnitt zur Verfügung zu haben, ist es notwendig, eine entsprechende Vielzahl von Querbohrungen auszubilden, vorzugsweise zwischen 50 und 200 Querbohrungen. Diese können insbesondere mittels eines Laserbohrverfahrens ausgebildet werden, mit dem es möglich ist, in kurzer Zeit und ohne die Umgebung zu beschädigen eine Vielzahl von sehr feinen Bohrungen in einen metallischen Körper einzubringen.

Hebt die innere Ventilnadel vom Ventilsitz ab, während die äußere Ventilnadel noch in Anlage am Ventilsitz ist, so strömt jetzt sowohl Kraftstoff durch den Querkanal bzw. die Querkanäle in den Zwischenraum als auch ventilsitznah und damit auch nahe der inneren Einspritzöffnungen Kraftstoff durch die Querbohrungen in den Zwischenraum. Dadurch ist ein ausreichend hoher Zufluss von Kraftstoff zu den inneren Einspritzöffnungen gewährleistet, so dass stets der volle Einspritzdruck an den inneren Einspritzöffnungen anliegt, insbesondere auch dann, wenn zwischen dem wenigstens einen Querkanal und den Querbohrungen ein Führungsabschnitt an der innere Ventilnadel ausgebildet ist, an dem nur ein begrenzt großer Durchflussquerschnitt zur Verfügung steht.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein erfϊndungemäßes Krafteinspritzventil im Längsschnitt darge- stellt. Die Darstellung beschränkt sich hierbei auf die funktionswesentlichen Komponenten.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Ventilkörper 3, eine Drosselscheibe 5 und einen Haltekörper 7 umfasst. Die einzelnen Komponenten des Gehäuses 1 sind über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung gegeneinander verspannt, so dass an den Berührstellen eine druck- dichte Verbindung gegeben ist. Im Ventilkörper 3 ist ein Druckraum 10 ausgebildet, der über einen in der Drosselscheibe 5 und im Haltekörper 7 verlaufenden Zulauf kanal 12 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Der Druckraum 10 ist an seinem brennraum- seitigen Ende von einem konischen Ventilsitz 18 begrenzt, von dem innere Einspritzöffnungen 23 und äußere Einspritzöffnungen 21 ausgehen, die in Einbaulage des Kraftstoff- einspritzventils in einem Brennraum der Brennkraftmaschine münden. Im Druckraum 10 ist eine äußere Ventilnadel 20 längsverschiebbar angeordnet, die als Hohlnadel ausgeführt ist und die in einem mittleren Führungsabschnitt 25 im Druckraum 10 geführt ist. Die äußere Ventilnadel 20 weist an ihrem ventilsitzseitigen Ende eine äußere Dichtfläche 27 auf, die so ausgestaltet ist, dass bei Anlage der äußeren Ventilnadel 20 auf dem Ven-

tilsitz 18 die äußeren Einspritzöffiiungen 21 verschlossen werden, und zwar sowohl gegen den Druckraum 10 als auch gegen den Innenraum der äußeren Ventilnadel 20.

In der äußeren Ventilnadel 20 ist eine innere Ventilnadel 22 längsverschiebbar angeord- net, die mit einer inneren Dichtfläche 28 ebenfalls mit dem konischen Ventilsitz 18 zusammenwirkt. Bei Anlage der inneren Ventilnadel 22 auf dem Ventilsitz 18 werden die inneren Einspritzöffnungen 23 verschlossen und nach dem Abheben vom Ventilsitz 18 entsprechend freigegeben. Zwischen der äußeren Ventilnadel 20 und der inneren Ventilnadel 22 ist ein Zwischenraum 31 angeordnet, der über Querkanäle 32 in der äußeren Ventilnadel 20 mit dem Druckraum 10 verbunden ist. Die innere Ventilnadel 22 ist in einem ventilsitzabgewandten Abschnitt in der äußeren Ventilnadel 20 geführt und zusätzlich in einem Führungsabschnitt 35, so dass sowohl die äußere Ventilnadel 20 als auch die innere Ventilnadel 22 stets exakt koaxial zueinander ausgerichtet sind. Um einen Kraftstofffluss durch den Zwischenraum 31 in Richtung des Ventilsitzes 18 zu ermögli- chen, befinden sich am Führungsabschnitt 35 mehrerer Anschliffe 37.

Um einen ungedrosselten Zulauf von Kraftstoff zu den inneren Einspritzöffnungen zu gewährleisten sind in der äußeren Ventilnadel 20 zusätzlich Querbohrungen 40 ausgebildet, die zwischen dem Führungsabschnitt 35 und der inneren Dichtfläche 28 in der äuße- ren Ventilnadel 20 ausgebildet sind. Die Querbohrungen 40 sind dabei vorzugsweise mit einem Laserbohrverfahren hergestellt und weisen einen geringen Durchmesser auf, der kleiner als 0,2 mm ist, vorzugsweise 0,07 bis 0,13 mm. Um einen ausreichend hohen Strömungsquerschnitt zu erreichen, sind entsprechend viele Querbohrungen 40 ausgebildet, deren Anzahl vorzugsweise zwischen 50 und 200 beträgt, je nach erforderlichem Ge- samtquerschnitt. Da die Querbohrungen 40 nur einen sehr geringen Durchmesser aufweisen, wird die äußere Ventilnadel 20 in diesem Bereich praktisch nicht mechanisch geschwächt, während jedoch durch die große Anzahl von Querbohrungen 40 ein ungedros- selter Zufluss von Kraftstoff aus dem Druckraum 10 in den Zwischenraum 31 gewährleistet ist.

Die äußeren Ventilnadel20 ist ventilsitzabgewandt in einer Hülse 29 geführt, die über eine äußere Schließfeder 24, die sich einerseits an der Hülse 29 und andererseits an der äußeren Ventilnadel 20 abstützt, gegen die Drosselscheibe 5 gepresst wird. Durch die äußere Schließfeder 24 ist sichergestellt, dass die äußere Ventilnadel 20 gegen den Ventilsitz 18 gedrückt wird, während andererseits die Hülse 29 stets in Anlage an der Drosselschei-

be 5 ist. In gleicher Weise ist zwischen der inneren Ventilnadel 22 und der Drosselscheibe 5 eine innere Schließfeder 26 unter Druckvorspannung angeordnet, die die innere Ventilnadel 22 gegen den Ventilsitz 18 drückt.

Durch die äußere Ventilnadel 20, die innere Ventilnadel 22, die Hülse 29 und die Drosselscheibe 5 wird ein Steuerraum 30 begrenzt, der über eine Zulaufdrossel 15 mit Kraftstoffunter hohem Druck befüllbar ist. über eine Ablaufdrossel 17 lässt sich der Druck im Steuerraum 30 mindern, wobei die Ablaufdrossel 17 über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Steuerventil geöffnet oder geschlossen werden kann. Durch den Kraftstoffdruck im Steuerraum 30 ergibt sich eine hydraulische Kraft sowohl auf die äußere Ventilnadel

20, als auch auf die äußere Ventilnadel 22 in Richtung des Ventilsitzes 18.

Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt: zu Beginn der Einspritzung ist ein hoher Krafstoffdruck in Steuerraum 30 vorhanden, der sowohl die äußere Ventilnadel 20, als auch die inner Ventilnadel 22 gegen den Ventilsitz 18 presst, so dass sämtliche Einspritzöffnungen 21, 23 verschlossen werden. Durch den Querkanal 32 herrscht auch im Zwischenraum 31 der gleiche hohe Kraftstoffdruck wie im Druckraum 10. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird der Druck im Steuerraum 30 gemindert, was die hydraulische Kraft auf die ventilsitzabgewandte Stirnseite der inneren Ventilnadel 22 entsprechend reduziert. Sobald die hydraulischen Kräfte, insbesondere auf die innere

Druckschulter 33, ausreichen, die innere Ventilnadel 22 vom Ventilsitz 18 abzuheben, bewegt sich die Ventilnadel 22 vom Ventilsitz 18 weg und gibt die inneren Einspritzöffnungen 23 frei. Hierbei strömt Kraftstoff durch die Querkanäle 32 und durch den Strömungsquerschnitt, den die Anschliffe 37 bilden, in Richtung des Ventilsitzes 18. Da je- doch die Anschlüsse 37 nur einen begrenzten Strömungsquerschnitt zur Verfügung stellen können, ohne dass es zu einer mechanischen Schwächung der inneren Ventilnadel 22 kommt, strömt überwiegend Kraftstoff durch die Querbohrungen 40 die in den Zwischenraum 31. Durch die große Zahl von Querbohrungen 40 ergibt sich jetzt ein ungedrosselter Zustrom von Kraftstoff in den Zwischenraum 31, so dass an den inneren Einspritzöfmun- gen 23 sofort der volle Krafstoffeinspritzdruck anliegt.

Wird der Druck im Steuerraum 30 weiter gemindert, so bewegt sich auch die äußere Ventilnadel 20 vom Ventilsitz 18 weg und gibt zusätzlich die äußeren Einspritzöffnungen 21 frei. Dies geschieht ebenso wie bei der inneren Ventilnadel 22 dadurch, dass hydraulische Kräfte, die vorzugsweise an einer äußeren Druckschulter 34 angreifen, größer sind als die

hydraulische Schließkraft durch den Druck im Steuerraum 30. Zur Beendigung der Einspritzung wird der Druck im Steuerraum 30 wieder erhöht, indem die Ablaufdrossel 17 verschlossen wird. Die äußere Ventilnadel 20 und die innere Ventilnadel 22 werden dann durch den hydraulischen Druck im Steuerraum 30 zurück in ihre Schließestellung ge- drückt.

Je nach Auslegung der Druckflächen und der Ansteuerung des Drucks im Steuerraum 30 kann die öffnungsfolge der Ventilnadeln 20, 22 auch so sein, dass zuerst die äußere Ventilnadel 20 öffnet und anschließend die innere Ventilnadel 22. Wird die äußere Ventilna- del 22 ballistisch betrieben, das heißt, dass diese nicht bis zum Anschlag gefahren wird, sondern in einer Zwischenstellung verharrt oder vor Erreichen des Anschlags wieder in eine Schließbewegung übergeht, so sorgen die Querbohrungen 40 auch in diesem Betriebszustand für eine bessere Versorgung der inneren Einspritzöffnungen 23 mit Kraftstoff.

Die Querbohrungen werden vorzugsweise mit Hilfe eines Laserbohrverfahrens hergestellt, da es damit möglich ist, eine große Zahl von sehr exakt gearbeiteten Querbohrungen in die äußere Ventilnadel 20 einzubringen, ohne die Umgebung der Querbohrungen 40 zu beeinträchtigen. Da die Querbohrungen 40 vorzugsweise einen Durchmesser auf- weisen, der im Bereich von 70 bis 130 μm liegt, muss eine große Zahl von Querbohrungen 40 ausgebildet werden, um einen ausreichend hohen Strömungsquerschnitt zur Verfügung zu stellen. Deshalb sind über den gesamten Umfang der äußeren Ventilnadel 20 vorzugsweise 50 bis 200 Querbohrungen 40 ausgebildet, die den Strömungsquerschnitt in der Summe zur Verfügung stellen. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass der Gesamt- Strömungsquerschnitt der Querbohrungen 40 größer oder gleich dem Gesamtströmungs- querschnitt der Querkanäle 32 ist, jedoch ist auch ein umgekehrtes Verhältnis denkbar.