DE10125943A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem eine Bohrung (3) ausgebildet ist, die eine Längsachse (14) aufweist und an derem brennraumseitigen Ende ein Ventilsitz (17) ausgebildet ist. Im Bereich des Ventilsitzes (17) ist wenigstens eine Einspritzöffnung (20) angeordnet, die die Bohrung (3) mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. In der Bohrung (3) ist ein Ventilglied (5) längsverschiebbar angeordnet, das mit einer Dichtfläche (15) mit dem Ventilsitz (17) zur Steuerung der wenigstens einen Einspritzöffnung (20) zusammenwirkt. Zwischen der Wand der Bohrung (3) und dem Ventilglied (5) ist ein Druckraum (10) ausgebildet, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Der Ventilkörper (1) ist im Bereich des Druckraums (10) von einer Hülse (22) umgeben, die anisotrope Festigkeitseigenschaften aufweist, so daß der Ventilkörper (1) weniger Verformung durch den Druck im Druckraum zeigt (Fig. 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil ist beispielswei­ se aus der Schrift DE 196 18 650 A1 bekannt. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper auf, in dem eine Bohrung mit einer Längsachse ausgebildet ist, wobei am brennraumseitigen Ende der Bohrung ein Ventilsitz ausge­ bildet ist. Im Bereich des Ventilsitzes ist wenigstens eine Einspritzöffnung im Ventilkörper ausgebildet, die die Boh­ rung mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. In der Bohrung ist ein Ventilglied längsverschiebbar angeord­ net, das in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Boh­ rung geführt ist. Am brennraumseitigen Ende geht das Ventil­ glied in eine Dichtfläche über, die mit dem Ventilsitz zu­ sammenwirkt und so die wenigstens eine Einspritzöffnung steuert. Zwischen dem Ventilglied und der Wand der Bohrung ist ein Druckraum ausgebildet, der mit Kraftstoff unter ho­ hem Druck befüllt werden kann. Bedingt durch den Kraftstoff­ druck im Druckraum bewegt sich das Ventilglied entgegen ei­ ner Schließkraft, so daß je nach Verhältnis der Schließkraft zur hydraulischen Kraft auf das Ventilglied und die Ein­ spritzöffnung auf- oder zugesteuert wird. Hierbei weist das bekannte Kraftstoffeinspritzventil jedoch den Nachteil auf, daß es durch den Kraftstoff, der unter sehr hohem Druck in den Ventilkörper eingebracht wird, zu einer Verformung des Druckraums und damit zu einer Aufbauchung des Ventilkörpers kommt. Dies hat insbesondere Auswirkungen auf die Stellen, an denen das Ventilglied den Ventilkörper berührt, also zum einen im geführten Abschnitt des Ventilgliedes und zum ande­ ren am Ventilsitz. Durch die Verformung des Ventilkörpers im Bereich des Druckraums, die im wesentlichen eine radiale Aufweitung des Ventilkörpers ist, kann das Spiel zwischen Ventilglied und Ventilkörper im Bereich der Führung verrin­ gert werden. Hierdurch kann es zu einem erhöhten Verschleiß und damit zu einer geringeren Lebensdauer des Kraftstoffein­ spritzventils kommen. Darüber hinaus kippt der Ventilsitz, der im wesentlichen konisch ausgebildet ist, infolge der Aufweitung etwas nach außen. Dieses Kippen ist unerwünscht, da es den Öffnungsdruck, also den Druck im Druckraum, bei dem sich das Ventilglied entgegen der Schließkraft bewegt, beeinflußt, und den Verschleiß im Bereich des Ventilsitzes erhöht.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Festigkeit des Ventilkörpers erhöht ist, so daß die Verformung des Ventilkörpers, die durch den Druck im Druckraum entsteht, reduziert wird. Hierzu ist der Ventilkörper im Bereich zwischen dem geführten Abschnitt des Ventilglieds und dem Ventilsitz von einer Hülse umgeben, die anisotrope Festigkeitseigenschaften aufweist. Hierdurch läßt sich die tangentiale Steifigkeit des Ventilkörpers erhöhen und so die Nachteile, die durch eine Verformung des Ventil­ körpers aufgrund des hohen Kraftstoffdrucks im Druckraum auftreten, vermeiden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Hülse weist diese in tangentialer Richtung bezüglich der Längsachse der Boh­ rung im Ventilkörper eine größere Zugfestigkeit auf als in Längsrichtung. Da die Verformung des Ventilkörpers unter Druck hauptsächlich in radialer Richtung erfolgt, genügt zur Herstellung der gewünschten Steifigkeit eine Verstärkung des Ventilkörpers in tangentialer Richtung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Hülse in tan­ gentialer Richtung einen größeren Elastizitätsmodul auf als der Stahl, aus dem der Ventilkörper gefertigt ist. Hierdurch kann ein Teil des Ventilkörpers durch die Hülse ersetzt wer­ den, so daß die gesamten Außenabmessungen des Ventilkörpers durch die Hülse nicht oder nur unwesentlich erhöht werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung beinhaltet die Hülse Fasern, von denen zumindest ein Teil zumindest annähernd in tangentialer Richtung verläuft. Solche Verbundwerkstoffe, die Fasern enthalten, können in ihren Festigkeitseigenschaf­ ten gezielt richtungsabhängig gefertigt werden, so daß sich ihre Festigkeitseigenschaften in großen Bereichen einstellen lassen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Fa­ sern als Kohlenstoffasern ausgebildet. Derartige Kohlen­ stoffasern sind in ihrer Längsrichtung extrem reißfest und weisen einen hohen Elastizitätsmodul auf, so daß Elastizi­ tätsmoduln und Zugfestigkeiten erreichbar sind, die deutlich über denen von Stahl liegen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Koh­ lenstoffasern in einer Matrix aus Epoxidharz eingebettet.

Solche Kohlenstoffaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoffe sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und lassen sich so mit bekannten Techniken in jede beliebige Form bringen. Epoxidharz ist hierbei an ein Duroplast, so daß unter Tempe­ ratureinwirkung kein Fließen des Werkstoffs stattfindet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Koh­ lenstoffasern in einer Matrix aus Graphit eingebettet. Ein Kohlenstoffaser-Graphit-Verbund weist hierbei den Vorteil auf, daß er bis zu hohen Temperaturen von 200°C bis 300°C stabil bleibt und somit für den Einsatz an einem Kraftstof­ feinspritzventil unbeschränkt geeignet ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Koh­ lenstoffasern in einer Matrix aus Metall eingebettet, das vorzugsweise Aluminium ist. Solche Verbunde von Kohlenstof­ fasern und Metall weisen eine noch bessere Temperaturbestän­ digkeit auf und sind auch für höchste thermische Belastungen in Brennkraftmaschinen geeignet.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritz­ ventil,

Fig. 2 eine Ansicht der Hülse mit dem eingezeichneten Verlauf der Fasern und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Hülse mit einer anderen Anordnung der Fasern.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil in seinem wesentlichen Bereich dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ven­ tilkörper 1 mit einer Bohrung 3 auf, die an ihrem brennraum­ seitigen Ende in einen im wesentlichen konischen Ventilsitz 17 übergeht. Im brennraumseitigen Endbereich des Ventilkör­ pers 1 ist wenigstens eine Einspritzöffnung 20 ausgebildet, die den Ventilsitz 17 mit dem Brennraum der Brennkraftma­ schine verbindet. In der Bohrung 3 ist ein Ventilglied 5 längsverschiebbar angeordnet, wobei das Ventilglied 5 kol­ benförmig ausgebildet ist und in einem brennraumabgewandten Führungsabschnitt 103 der Bohrung 3 geführt wird. Das Ven­ tilglied 5 verjüngt sich vom Führungsabschnitt 103 dem Brennraum zu unter Bildung einer Druckschulter 12 und geht an seinem brennraumseitigen Ende in eine im wesentlichen ko­ nische Ventildichtfläche 15 über, die mit dem Ventilsitz 17 zusammenwirkt. Durch eine radiale Erweiterung der Bohrung 3 ist auf Höhe der Druckschulter 12 ein Druckraum 10 ausgebil­ det, der sich als ein das Ventilglied 5 umgebender Ringkanal bis zum Ventilsitz 17 fortsetzt. Der Druckraum 10 ist über eine Zulaufbohrung 7, die im Ventilkörper 1 ausgebildet ist, mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar. Das Ventilglied 5 wird durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vor­ richtung mit einer Schließkraft F beaufschlagt, die auf die brennraumabgewandte Stirnseite des Ventilgliedes 5 wirkt und auf den Ventilsitz 17 zu gerichtet ist. In der Fig. 1 ist diese Kraft F mit einem Pfeil veranschaulicht. Durch den eingeführten Kraftstoff, der in den Druckraum 10 gelangt und unter hohem Druck steht, ergibt sich eine hydraulische Öff­ nungskraft auf die Druckschulter 12 und auf Teile der Ven­ tildichtfläche 15 des Ventilgliedes 5, wobei die hydrauli­ sche Öffnungskraft der Schließkraft F entgegengerichtet ist. Ist bei dem Kraftstoffeinspritzventil die Schließkraft F konstant, so erfolgt eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine, wenn der Kraftstoffdruck im Druckraum 10 soweit angestiegen ist, daß die hydraulische Öffnungskraft auf das Ventilglied 5 die Schließkraft F über­ wiegt. Das Ventilglied 5 wird dann in Längsrichtung bewegt, hebt mit der Ventildichtfläche 15 vom Ventilsitz 17 ab und gibt so die Einspritzöffnung 20 frei. Durch eine Unterbre­ chung der Kraftstoffzufuhr in den Druckraum 10 nimmt dort der Druck entsprechend wieder ab, bis die Schließkraft F er­ neut überwiegt und das Ventilglied 5 in Längsrichtung in Schließstellung zurück bewegt.

Der Ventilkörper 1 ist im wesentlichen an seiner Außenseite rotationssymmetrisch ausgebildet. Im Führungsbereich 103 weist der Ventilkörpers 1 einen relativ großen Außendurch­ messer auf, um eine stabile Führung des Ventilgliedes 5 und die Ausbildung des Zulaufkanals 7 zu ermöglichen. Dem Brenn­ raum zu verjüngt sich der Ventilkörper 1 in seinem Außen­ durchmesser und geht im Bereich des Druckraums 10 in einen deutlich kleineren Ventilkörperschaft 101 über. Um den Ven­ tilkörperschaft 101, der an seiner Außenseite zylindrisch ausgebildet ist, ist eine Hülse 22 angeordnet, die kraft­ schlüssig am Ventilkörperschaft 101 anliegt. Die Hülse 22 ist aus einem anderen Material gefertigt als der Ventilkör­ per 1, welcher aus einem Stahl gefertigt ist. Die Hülse 22 weist anisotrope Festigkeitseigenschaften auf, so daß sich im Bereich des Ventilkörperschafts 101 eine größere Steifig­ keit in tangentialer Richtung ergibt als dies bei einen aus Stahl gefertigten Ventilkörperschaft 101 möglich ist.

Durch den hohen Druck im Druckraum 10, der bei modernen Kraftstoffeinspritzsystemen, wie sie für selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet werden, 100 bis 200 MPa betra­ gen kann, wird der Ventilkörper 1, insbesondere im Bereich des Ventilkörperschafts 101, durch den Kraftstoffdruck auf­ geweitet. Diese Aufbauchung des Ventilkörpers 1 beeinflußt die Eigenschaften des Kraftstoffeinspritzventils negativ. Zum einen ergibt sich durch die Aufbauchung eine Verformung des Ventilkörpers 1 im Bereich des Ventilkörperschafts 101, die im wesentlichen eine radiale Erweiterung der Bohrung 3 darstellt. Hierdurch verformt sich auch der Ventilkörper 1 im Bereich des Führungsabschnitts 103, so daß sich die Füh­ rung des Ventilgliedes 5 im Führungsabschnitt 103 der Boh­ rung 3 verändert, was dort zu einem erhöhten Verschleiß und damit zu einer Verringerung der Lebensdauer des Kraftstoffe­ inspritzventils führen kann. Zum anderen führt die Aufbau­ chung des Ventilkörperschafts 101 zu einer Veränderung am Ventilsitz 17. Der Ventilsitz 17 ist ebenso wie die Ventil­ dichtfläche 15 im wesentlichen konisch ausgebildet. Durch die Aufbauchung des Ventilkörpers 1 im Bereich des Ventil­ körperschafts 101 wird der Ventilsitz 17 leicht nach außen verkippt, so daß sich die Anlagelinie der Ventildichtfläche 15 am Ventilsitz 17 etwas verschiebt. Da der Öffnungsdruck des Kraftstoffeinspritzventils von der Größe der druckbeauf­ schlagten Fläche am Ventilsitz 15 abhängt, ändert sich hier­ durch auch der Öffnungsdruck, wodurch eine präzise Einsprit­ zung des Kraftstoffs zum gewünschten Zeitpunkt erschwert wird.

Die Hülse 22 ist vorzugsweise als Verbundwerkstoff ausge­ führt, bei dem Fasern, die einen hohen Elastizitätsmodul und eine hohe Zugfestigkeit aufweisen, in einer Matrix eingebet­ tet sind. Fig. 2 zeigt eine Hülse 22 mit dem Verlauf von Fasern 24 in der Matrix. Eine mögliche Kombination von Fa­ sern 24 und Matrix besteht darin, die Fasern 24 als Kohlen­ stoffasern auszubilden und eine Matrix aus Epoxidharz zu verwenden. Die mit Epoxidharz ummantelten Kohlenstoffasern werden am fertigen Kraftstoffeinspritzventil auf den Ventil­ körperschaft 101 aufgewickelt und das Epoxidharz polymeri­ siert dort durch eine geeignete Behandlung. Hierdurch erhält man eine sichere Verbindung der Hülse 22 zum Ventilkörper­ schaft 101, ohne daß weitere Klebemittel oder ähnliche Ver­ bindungsmaterialien notwendig wären. Durch die Kohlenstoffa­ sern 24 weist die Hülse 22 in tangentialer Richtung einen sehr hohen Elastizitätsmodul und eine hohe Zugfestigkeit auf. Der Elastizitätsmodul eines solchen Verbundes kann deutlich über dem von Stahl liegen. Ein typischer Wert für den Elastizitätsmodul von Stahl ist E = 200.000 N/mm², wäh­ rend sich mit Kohlenstoffaser-Epoxidharz-Verbunden Elastizi­ tätsmoduln von 300.000 N/mm² und mehr erreichen lassen. In Längsrichtung der Hülse 22 verlaufen in der Ausgestaltung der Fig. 2 keine Fasern, so daß der Elastizitätsmodul und auch die Zugfestigkeit in Längsrichtung, also entlang der Längsachse 14 um etwa einen Faktor 100 kleiner ist als in tangentialer Richtung. Da bei einem Ventilkörper 1 mit einer verstärkenden Hülse 22 der Ventilkörperschaft 101 dünnwandi­ ger ausgebildet ist als bei einem herkömmlichen Kraftstoffe­ inspritzventil, weist auch der Ventilkörperschaft 101 in Längsrichtung eine geringe Steifigkeit auf. Bedingt durch den kleinen Elastizitätsmodul der Hülse 22 in Längsrichtung, ergibt sich eine geringe Steifigkeit im gesamten Bereich des Ventilkörperschafts 101 in Längsrichtung. Dies führt zu ei­ nem weiteren Vorteil des Kraftstoffeinspritzventils, da das Ventilglied 5 bei der Schließbewegung hart mit der Ventil­ dichtfläche 15 auf dem Ventilsitz 17 aufsetzt und dort auf kürzestem Wege abgebremst wird. Durch die Verminderung der Steifigkeit des Ventilkörpers 1 in axialer Richtung im Be­ reich des Ventilkörperschafts 101 verlängert sich der Brems­ weg und somit wird die notwendige Bremskraft auf das Ventil­ glied 5 herabgesetzt, was zu einer geringeren mechanischen Belastung im Bereich des Ventilsitzes 17 und damit zu einem verminderten Verschleiß in diesem Bereich führt.

Es kann aber auch erwünscht sein, in Längsrichtung der Hülse 22 einen höheren Elastizitätsmodul zu haben als er allein durch das Matrixmaterial des Verbundwerkstoffs gegeben ist. Hierzu können verschiedene Lagen von Fasern in der Hülse 22 angeordnet werden, die einen Winkel α miteinander einschlie­ ßen. Hierdurch kann man das Verhältnis von tangentialer Steifigkeit zur Steifigkeit in Längsrichtung der Hülse 22 sehr genau einstellen und erhält, je nach Winkel α und An­ zahl der Fasern, die gewünschte Steifigkeit. Ein typischer Winkel α für solche Verbunde ist hierbei 5° bis 30°, wobei vorzugsweise 10° verwendet werden.

Neben der Kombination aus Kohlenstoffaser und Epoxidharz sind auch andere Kombinationen von Fasern und Matrixmaterial möglich. Beispielsweise lassen sich Kohlenstoffasern auch in einer Matrix aus Graphit einbetten, was den Vorteil hat, daß der Verbund aus Graphit und Kohlenstoffasern deutlich höhe­ ren Temperaturen widersteht als ein Epoxidharz- Kohlenstoffaser-Verbund. Graphit widersteht Temperaturen von 200°C bis 300°C, so daß diese Kombination insbesondere für die Anwendung an Kraftstoffeinspritzventilen geeignet sind, die der Verbrennungshitze im Brennraum der Brennkraftmaschi­ ne ausgesetzt sind. Daneben ist es auch möglich, die Kohlen­ stoffasern in einer Matrix aus Metall einzubetten. Hierzu eignet sich beispielsweise Aluminium oder andere niedrig­ schmelzende Metalle, in die sich Kohlenstoffasern einbinden lassen. Solche Hülsen mit Metall- oder Graphitmatrix werden vorzugsweise separat vom Ventilkörper 1 gefertigt und an­ schließend auf den Ventilkörper 1 aufgeschrumpft, um eine kraftschlüssige Verbindung von Hülse 22 und Ventilkörper 1 zu erreichen.

Neben Kohlenstoffasern lassen sich auch verschiedene andere Fasern anwenden, beispielsweise Polymerfasern wie Aramid- oder Glasfasern. Welche Faserart in Kombination mit welchem Matrixmaterial jeweils zur Anwendung kommt, bemißt sich nach dem Einsatz des Kraftstoffeinspritzventils, nach den auftre­ tenden Temperaturen und den zu erwartenden Drücken und damit den mechanischen Belastungen im Schaftbereich 101 des Kraft­ stoffeinspritzventils.

Claims (10)

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit ei­ nem Ventilkörper (1), in dem eine Bohrung (3) ausgebildet ist, die eine Längsachse (14) aufweist und an deren brennraumseitigen Ende ein Ventilsitz (17) ausgebildet ist, wobei im Bereich des Ventilsitzes (17) wenigstens eine Einspritzöffnung (20) angeordnet ist, die die Boh­ rung (3) mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbin­ det, und mit einem Ventilglied (5), das in der Bohrung (3) längsverschiebbar angeordnet ist und das mit einer am Ventilglied (5) ausgebildeten Dichtfläche (15) mit dem Ventilsitz (17) zur Steuerung der wenigstens einen Ein­ spritzöffnung (20) zusammenwirkt, und mit einem Druckraum (10), der zwischen der Wand der Bohrung (3) und dem Ven­ tilglied (5) ausgebildet ist und mit Kraftstoff unter ho­ hem Druck befüllbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (1) im Bereich des Druckraums (10) von einer Hülse (22) umgeben ist, die anisotrope Festigkeitseigen­ schaften aufweist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hülse (22) als Hohlzylinder mit ei­ ner zylindrischen Innenfläche ausgebildet ist und mit der gesamten Innenfläche formschlüssig an dem Ventilkörper (1) anliegt.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hülse (22) in tangentialer Richtung bezüglich der Längsachse (14) der Bohrung (3) eine größe­ re Zugfestigkeit aufweist als in Längsrichtung.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ventilkörper (1) aus Stahl gefer­ tigt ist und daß die Hülse (22) in tangentialer Richtung eine größere Zugfestigkeit aufweist als der Ventilkör­ per (1).

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hülse Fasern (24) beinhaltet, von denen zumindest ein Teil zumindest annähernd in tangen­ tialer Richtung bezüglich der Längsachse (14) der Bohrung (3) verläuft.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fasern (24) Kohlenstoffasern sind.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern (24) in eine Ma­ trix aus Epoxidharz eingebettet sind.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern (24) in eine Ma­ trix aus Graphit eingebettet sind.

9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern (24) in eine Ma­ trix aus Metall eingebettet sind.

10. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist.