Kraftstoffeinspritzventile bei Kraftmaschinen

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es vorzugsweise für die Kraftstoff-Direkteinspritzung in selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet wird.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 93 01 992 Ul ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, von dem im folgenden ausgegangen wird. Dieses weist einen Ven- tilkörper mit einer längsverschiebbaren Ventilnadel auf, die mit einem Ventilsitz zur Steuerung wenigstens einer Einspritzöffnung zusammenwirkt. Die Ventilnadel ist hierbei auf einem Teil ihrer Länge von einem Druckraum umgeben, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist und aus dem Kraftstoff je nach Stellung der Ventilnadel den Einspritzöffnungen zufließt, durch die der Kraftstoff letztendlich in den entsprechenden Brennraum eingespritzt wird. Die Ventilnadel wird an ihrem ventilsitzseitigen Ende von einer Hülse umgeben, die der Führung der Ventilnadel dient. In der Hülse sind mehrere öffnungen ausgebildet, die einen ungehinderten Kraftstoffzufluss aus dem Druckraum zu den Einspritzöffnungen ermöglichen, wenn die Ventilnadel vom Ventilsitz abgehoben hat. Die Hülse stützt sich dabei über eine Spannfeder an der Ventilnadel ab und bleibt so bei der

öffnungshubbewegung der Ventilnadel ortsfest. Da die Ventilnadel in der Hülse geiührt ist, ist eine optimale Führung der Ventilnadel im Bereich des Ventilsitzes gewährleistet, so dass es zu keiner Desachsierung bezüglich des Ventilsitzes kommen kann. Dies garantiert stets einen gleichmäßigen Zufluss von Kraftstoff zu den einzelnen Einspritzöffnungen.

Um eine Einspritzverlaufsformung zu erreichen, also eine gestufte Einspritzrate während der Haupteinspritzung, kann der Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen zeitweilig gezielt gedrosselt werden, so dass die Einspritzrate nicht nur durch das Zusammenspiel der Ventilnadel mit dem Ventilsitz bestimmt wird. Erreicht wird dies beispielsweise durch eine hubabhängige Drosselung, wobei verschiedene Ausfuhrungen im Stand der Technik vorgeschlagen worden sind. Aus der Gebrauchsmusteranmeldung DE 297 13 071 Ul ist beispielsweise eine Kraftstoffeinspritzdüse bekannt, die an ihrem einspritzseitigem Ende einen Zapfen aufweist, der in ein Sackloch hineinragt, von dem die Einspritzöffnungen ausgehen. Je nach

Hub der Ventilnadel wird ein mehr oder weniger großer Spalt zwischen dem Zapfen und der Wand des Sacklochs aufgesteuert, so dass abhängig vom Nadelhub unterschiedlich viel Kraftstoff den Einspritzöffnungen zufließt und damit eine gestufte Einspritzrate erreicht wird.

Die bekannten Kraftstoffeinspritzventile weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Führung der Ventilnadel im ventilsitznahen Bereich einerseits und die Einspritzverlaufsformung andererseits verschiedene Maßnahmen bedingen, die gleichzeitig ausgeführt werden müssen. Dadurch verteuert sich das Kraftstoffeinspritzventil und es wird zusätzlich Bauraum benötigt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merk- malen des Patentanspruchs 1 weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass mit einfachen Mitteln eine Einspritzverlaufsformung und damit ein ruhigerer und geräuschärmerer Verbrennungs verlauf ermöglicht wird. Hierzu ist zwischen der Hülse und der Ventilnadel ein Ringraum ausgebildet, der mit dem die Ventilnadel umgebenden Druckraum ständig über eine Drosselverbindung verbunden ist. Dar- über hinaus ist ein Strömungsquerschnitt vorhanden, der durch die öffnungshubbewegung der Ventilnadel aufgesteuert wird und der zwischen der Hülse und der Ventilnadel ausgebildet ist. Durch die Drosselverbindung ist sichergestellt, dass zu Beginn der Einspritzung im Ringraum ein entsprechender Kraftstoffdruck anliegt, damit eine Einspritzung unmittelbar beginnt, sobald die Ventilnadel vom Ventilsitz abgehoben hat. Nachdem die Ventilnadel einen Vorhub durchlaufen

hat, wird nunmehr der Strömungsquerschnitt aufgesteuert, so dass jetzt Kraftstoff ungedrosselt in den Ringraum und damit zu den Einspritzöffnungen strömen kann, wodurch eine Einspritzung mit erheblich höherer Rate stattfindet.

Durch die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Drosselverbindung durch öffnungen in der Hülse ausgebildet, vorzugsweise durch Radialbohrungen. Da die Hülse außerhalb des Ventilkörpers separat gefertigt wird, lassen sich diese Radialbohrungen ohne größeren Aufwand exakt ein- bringen, so dass sich die Drosselwirkung so sehr genau einstellen lässt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Strömungsquerschnitt dadurch aufgesteuert, dass ein Drosselbund, der an der Ventilnadel ausgebildet ist, bei der öffnungshubbewegung aus der Hülse austaucht. Besonders vorteilhaft ist diese Ausbildung, wenn sich an den Drosselbund eine Anfasung anschließt, so dass der Strömungsquerschnitt nicht plötzlich, sondern allmählich aufgesteuert wird, wodurch sich der Druckaufbau im Ringraum zusätzlich beeinflussen lässt. Es ist auch möglich, dass diese Anfasung nicht an der Ventilnadel, sondern an der Innenwand der Hülse ausgebildet ist, was prinzipiell den gleichen Effekt ergibt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kommt die Ventilnadel nach einem Teilhub ihres gesamten öffnungshubs an einem Anschlag zur Anlage, der an der Hülse ausgebildet ist, so dass die Ventilnadel bei ihrer weiteren Hubbewegung die Hülse vom Ventilsitz abhebt. Dadurch wird ein zusätzlicher Strömungsquerschnitt aufgesteuert, der jetzt zwischen der Stirnseite der Hülse, die im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils am Ventilsitz aufliegt, und dem Ventilsitz aufgesteuert wird. Dadurch lässt sich die in den Einspritzöffnungen zugeführte Kraftstoffmenge noch einmal erhöhen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Drosselverbindung dadurch ausgebildet, dass eine Radialbohrung in der Hülse ausgebildet ist, die vom Drosselbund der an der Ventilnadel ausgebildet wird, in Schließstellung der Ventilnadel teilweise verdeckt wird. Im Zuge der öffnungshubbewegung steuert die Ventilnadel dann die gesamte Radialbohrung auf, so dass nunmehr der volle Strö- mungsquerschnitt in den Ringraum sichergestellt ist. In einer weiteren vorteilhaf-

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ten Ausgestaltung kann anstelle der Radialbohrung in der Hülse eine Verbindungsbohrung in der Ventilnadel ausgebildet sein, deren Eintrittsöffhung von der Hülse in Schließstellung der Ventilnadel teilweise verdeckt wird. Bei der öffnungshubbewegung der Ventilnadel taucht die Eintrittsöffnung aus der Hülse raus, so dass dadurch der gesamte Strömungsquerschnitt freigegeben ist.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.

Zeichnung

In der Zeichnung sind verschiedene Ausfuhrungsbeispiele des erfindungsgemäßen

Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt

Figur 1 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt, Figur 2, Figur 3, Figur 4, Figur 4a, Figur 5, Figur 6 und Figur 7 zeigen verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils im Bereich des Ventilsitzes, wobei jeweils nur eine Hälfte des Kraftstoffeinspritzventils gezeigt ist, und

Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei hier in teilweise ge- schnittener Darstellung der Bereich nahe des Ventilsitzes dargestellt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist einen Ventilkörper 2 auf, in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist. Die Bohrung 3 ist an ihrem brennraumseitigen Ende von einem Ventilsitz 7 begrenzt und erweitert sich an ihrem gegenüberliegenden Ende in einen Federraum 14. In der Bohrung 3 ist längsverschiebbar eine Ventilnadel 4 angeordnet, die im Bereich des Federraums 14 von einer Schließfeder 16 umgeben ist, die die Ventilnadel 14 mit einer an der Ventilnadel 14 ausgebildeten Ventildichtfläche 12 gegen den Ventilsitz 7 drückt. Mit ihrer ventilsitz- abgewandten Stirnseite begrenzt die Ventilnadel 4 einen Druckraum 18, in dem durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung ein wechselnder Kraft-

stoffdruck aufgebaut werden kann, mit der die Ventilnadel 4 zusätzlich in Richtung des Ventilsitzes 12 gedrückt wird.

Die Ventilnadel 4 wird an ihrem ventilsitzseitigen Ende von einer Hülse 5 umge- ben, die sich an einer Druckschulter 8 der Ventilnadel 4 über eine Spannfeder 6 abstützt. Die Spannfeder 6 sorgt dafür, dass die Hülse 5 stets in Anlage am Ventilsitz 7 bleibt, so dass sie bei der öffnungsschubbewegung der Ventilnadel 4 ortsfest bleibt. Zwischen der Ventilnadel 4 und der Wand der Bohrung 3 ist ein Druckraum 11 ausgebildet, der sich in dem Federraum 14 fortsetzt und der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann. Zwischen der Hülse 5 und der

Ventilnadel 4 ist ein Ringraum 10 ausgebildet, der über eine oder mehrere Drosselverbindungen, hier in Form von Drosselbohrungen 21, mit dem Druckraum 11 verbunden ist.

Die grundsätzliche Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist aus dem

Stand der Technik hinreichend bekannt, so dass die Funktion hier nur kurz umrissen wird. Die Ventilnadel 4 bewegt sich beim erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil durch Druckerhöhung oder -erniedrigung im Steuerraum 18, so dass sich die Ventilnadel 4 durch den Druck im Steuerraum 18 einerseits und den Druck im Druckraum 11 andererseits in Längsrichtung bewegt und hierbei vom

Ventilsitz 7 abhebt oder auf diesem aufsitzt. Hat die Ventilnadel 4 vom Ventilsitz 7 abgehoben, so strömt Kraftstoff aus dem Druckraum 11 in den Ringraum 10 und von dort zu den Einspritzöffnungen 9, durch die der Kraftstoff letztendlich in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Figur 2 zeigt eine Vergrößerung von Figur 1 im Bereich des Ventilsitzes 7. Die Ventilnadel 4 weist an ihrem ventilsitzseitigem Ende einen Führungsbund 20 auf, an dem mehrere Anschliffe 22 ausgebildet sind, die einen ungehinderten Zufluss von Kraftstoff aus dem Ringraum 10 zu den Einspritzöffnungen 9 ermöglichen. Der Ringraum 10 ist über wenigstens eine Drosselbohrung 21 mit dem Druckraum 11 verbunden, während der Ringraum 10 dem Ventilsitz 7 abgewandt und durch das Zusammenwirken eines Drosselbundes 24 mit der Hülse 5 verschlossen wird, wobei der Drosselbund 24 eine Strecke hj in die Hülse 5 eingetaucht ist. An den Drosselbund 24 schließt sich eine Anfasung 28 an, die eine Höhe h ₂ aufweist und hier mit einem Anschrägungswinkel a versehen ist. Zur Einspritzung bewegt

sich die Ventilnadel 4 vom Ventilsitz 7 weg, so dass zwischen der Ventildichtfläche 12 und dem Ventilsitz 7 Kraftstoff aus dem Ringraum 10 zu den Einspritzöffnungen 9 fließen kann. Da die Drosselbohrungen 21 nur einen gewissen Kraft- stofffluss in den Ringraum 10 zulassen, wird nur wenig Kraftstoff durch die Ein- Spritzöffnungen 9 mit geringem Druck eingespritzt. Hat die Ventilnadel 4 den

Vorhub h\ durchfahren, so erreicht die Anfasung 28 eine an der Hülse 5 ausgebildete Steuerkante 30, so dass im weiteren öffnungshub die Anfasung 28 aus der Hülse 5 austritt. Dadurch wird ein Strömungsquerschnitt zwischen der Steuerkante 30 und der Anfasung 28 aufgesteuert, der mit zunehmendem Hub der Ventilna- del 4 immer größer wird. Durch diesen Strömungsquerschnitt kann nun Kraftstoff mit immer geringerer Drosselung aus dem Druckraum 11 in den Ringraum 10 einströmen und von dort zu den Einspritzöffnungen 9. Dadurch erhält man eine Ein- spritzverlaufsformung, bei der zu Beginn der öffnungshubbewegung der Ventilnadel 4 nur eine geringe Menge eingespritzt wird, während dann, wenn der Strö- mungsquerschnitt zwischen der Anfasung 28 und der Hülse 5 zunehmend aufgesteuert wird, sehr viel Kraftstoff unter hohem Druck ausgespritzt wird. Der Gesamthub h _max , der durch den axialen Abstand der ventilsitzabgewandten Stirnfläche der Ventilnadel 4 von einem Haltekörper, an dem das Einspritzventil 1 anliegt, gegeben ist, ist auf jeden Fall größer als die Summe der Teilhübe hj und h ₂ . Damit ist sichergestellt, dass das langsame Aufsteuern des Strömungsquerschnitts zwischen der Anfasung 28 und der Hülse 5 beim öffnungshub der Ventilnadel 4 ganz durchlaufen wird.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in derselben Darstellung wie Figur 2, wobei sich dieses Ausführungsbeispiel vom Ausführungsbeispiel der Figur 2 nur dadurch unterscheidet, dass hier keine Anfasung an der Ventilnadel 4, daiür aber eine Anfasung 29 an der Innenseite der Hülse 5 ausgebildet ist, die hier einen Anschrägungswinkel b aufweist. Am Ende der Anfasung 29 ist hier die Steuerkante 30 ausgebildet. Hat die Ventilnadel 4 den Teilhub hj durchfahren, so taucht der Drosselbund 24 in die Anfasung 29 ein, so dass zwischen der Steuerkante 30 und der Ventilnadel 4 der Strömungsquerschnitt aufgesteuert wird, durch den der Kraftstoff den Einspritzöffnungen zunehmend ungedrosselt zugeführt wird.

Figur 4 und Figur 4a zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem - anders als bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 - die Anfasung nicht über den ge-

samten Umfang der Ventilnadel 4 ausgeführt ist, sondern einzelne Nuten 32 ausgebildet sind, die den Strömungsquerschnitt zum Ringraum 10 sicherstellen. Hierbei werden vorzugsweise mehrere Nuten 32 über den Umfang der Ventilnadel 4 verteilt ausgebildet. Je nach Breite der Nuten 32 und nach deren Anschrä- gungswinkel c lässt sich der Verlauf des Strömungsquerschnitts mit dem Hub der

Ventilnadel 4 einstellen.

In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel in derselben Darstellung wie Figur 2 gezeigt. In der Hülse 5 sind mehrere Drosselbohrungen 21 ausgebildet, die hier jedoch einen deutlich größeren Durchmesser aufweisen als die Drosselbohrungen 21 der Figuren 2 bis 4a. Der an der Ventilnadel 4 ausgebildete Drosselbund ist hierbei so ausgebildet, dass an seinem ventilsitzseitigen Ende eine Steuerkante 33 ausgebildet ist, die in Schließstellung der Ventilnadel 4 die Drosselbohrungen 21 teilweise verschließt. Dadurch wird eine Drosselverbindung herge- stellt, durch die der Ringraum 10 mit dem Druckraum 11 verbunden ist. Bei der

öffnungshubbewegung der Ventilnadel 4 gibt die Steuerkante 33 die Drosselbohrungen 21 nach und nach frei, bis nach Durchfahren des Hubs h ₃ der gesamte Querschnitt der Drosselbohrungen 21 zur Verfügung steht. Durch den großen Durchmesser der Drosselbohrungen 21 ist jetzt ein nahezu ungedrosselter Zu- ström von Kraftstoff aus dem Druckraum 11 möglich.

In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Ringraum 10 durch einen Freistich 38 an der Ventilnadel 4 ausgebildet ist. Die Drosselverbindung des Ringraums 10 zum Druckraum 11 ist durch eine Verbindungsboh- rung 37 an der Ventilnadel 4 ausgebildet, wobei die Eintrittsöffnung 39 der Verbindungsbohrung 37 durch die Hülse 5 in Schließstellung der Ventilnadel 4 teilweise verdeckt wird. Die Steuerkante 30, die an der Hülse 5 ausgebildet ist, überdeckt einen Teil der Eintrittsöffnung 39, so dass dadurch eine Drosselverbindung gebildet wird. Bei der öffnungshubbewegung der Ventilnadel 4 taucht die Ein- trittsöffnung 39 aus der Hülse 5 aus und erlaubt so einen ungedrosselten Zustrom von Kraftstoff in den Ringraum 10.

In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Drosselverbindung dadurch hergestellt wird, dass am Drosselbund 24 eine Steuerkante 33 ausgebildet ist, zwischen der und einer Ausnehmung 40 in der Hülse 5 ein enger

Spalt verbleibt, wenn die Ventilnadel 4 in ihrer Schließstellung ist. Dieser Spalt wird durch die örrhungshubbewegung der Ventilnadel 4 zunehmend erweitert, so dass dadurch ein Strömungsquerschnitt gebildet wird, der im wesentlichen durch den Querschnitt der Ausnehmung 40 gebildet wird. Dadurch ist ebenfalls ein un- gedrosselter Zustrom von Kraftstoff in den Ringraum 10 möglich.

In Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei der in der Hülse 5 verschiedene Verbindungen ausgebildet sind, zum einen Drosselverbindungen 21, die den Ringraum 10 in der bereits oben gezeigten Weise mit dem Druckraum 11 verbinden, zum anderen sind ventilsitzabgewandt dazu Zulaufbohrungen 46 ausgebildet, die einen deutlich höheren Querschnitt aufweisen und die einen unge- drosselten Zustrom von Kraftstoff in einen weiteren Ringraum 13 ermöglichen, der ventilsitzabgewandt zum Ringraum 10 zwischen der Ventilnadel 4 und der Hülse 5 ausgebildet ist. An der Hülse 5 ist hier eine Anschlagfläche 42 ausgebil- det, an der zur genauen Einstellung des öffnungshubs der Ventilnadel 4 eine Zwischenscheibe 44 anliegt. Dieser gegenüber ist eine Schulter 41 an der Ventilnadel 4 ausgebildet, die in Schließstellung der Ventilnadel 4 von der Zwischenscheibe 44 einen axialen Abstand h ₅ aufweist.

Die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels ist wie folgt: Der Ringraum 10 wird wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beim öffnungshub der Ventilnadel 4 mit den Einspritzöffnungen 9 verbunden. Nach Durchfahren eines Hubs h ₄ passiert der Drosselbund 24 eine Steuerkante 30 an der Innenseite der Hülse 5, so dass dadurch ein Strömungsquerschnitt zwischen dem weiteren Ring- räum 13 und dem Ringraum 10 in der bereits oben gezeigten Art und Weise aufgesteuert wird. Dadurch strömt jetzt zusätzlich Kraftstoff durch die Zulaufbohrung 46 und den weiteren Ringraum 13 über den ersten Ringraum 10 zu den Einspritzöffnungen 9. Im weiteren Verlauf der öffnungshubbewegung erreicht die Ventilnadel 4 schließlich den Hub h ₅ und kommt mit ihrer Schulter 41 an der Zwischenscheibe 44 zur Anlage. Dadurch wird die Hülse 5 im weiteren Verlauf der öffnungshubbewegung durch die Ventilnadel 4 mitgenommen und hebt vom Ventilsitz 7 ab. Dies steuert einen zusätzlichen Strömungsquerschnitt zwischen der Hülse 5 und dem Ventilsitz 7 auf, der noch einmal einen verstärkten Kraftstoffzulauf zu den Einspritzöffnungen 9 und damit einen höheren effektiven Ein- spritzdruck bewirkt. Die Einspritzverlaufsformung umfasst hier also drei Stufe:

einmal in den gedrosselten Zulauf solange die Ventilnadel 4 den Hub h ₄ noch nicht durchfahren hat, einen stärkeren Strömungszulauf, solange die Ventilnadel 4 den Hub h ₅ noch nicht durchfahren hat, und schließlich einen nochmals stärkeren Zulauf zu den Einspritzöffnungen 9 dann, wenn die Ventilnadel 4 die Hülse 5 vom Ventilsitz 7 abgehoben hat. Zur richtigen Funktion des Kraftstoffeinspitzventils muss hierbei natürlich der Hub I15 größer sein als der Hub h ₄ . Dies lässt sich insbesondere über die Dicke der Zwischenscheibe 44 genau einstellen.

In allen vorhergehenden Ausführungsbeispiele stützt sich die Hülse 5 stets über eine Spannfeder 6 an einer Schulter 48 der Ventilnadel 4 ab, auch wenn dies in der Figur nicht explizit dargestellt ist. Der Drosselbund 20 ist in jedem Fall dann notwendig, wenn die Gefahr besteht, dass es an der Steuerkante 30 der Hülse 5 zu einem Verhaken zwischen der Ventilnadel 4 und der Hülse 5 kommt.

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil kann vorzugsweise an einem

Common-Rail- System eingesetzt werden, bei dem der Druckraum 11 mit einem Hochdruckspeicher verbunden ist, in dem stets Kraftstoff unter einem vorgegebenen Kraftstoffhochdruck vorgehalten wird. Die Steuerung des Kraftstoffdrucks im Steuerraum 18 erfolgt dann vorzugsweise über ein Magnet- oder Piezoventil.