Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, wie es beispielsweise aus der Europäischen Patentschrift EP 1 198 672 Bl bekannt ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper auf, in dem ein Druckraum ausgebildet ist, der brennraumseitig von einem konischen Ventilsitz begrenzt ist. Im Druckraum ist eine Ventilnadel angeordnet, die eine Ventildichtfläche aufweist, mit der die Ventilnadel mit dem Ventilsitz zusam¬ menwirkt und dadurch den Kraftstofffluss aus dem Druckraum zu wenigstens ei- ner Einspritzöffnung steuert. Die Ventildichtfläche an der Ventilnadel ist ebenfalls im wesentlichen konisch ausgebildet, so dass sie mit dem Ventilsitz zusammen¬ wirken kann.
An den bisher bekannten und gebräuchlichen Ventildichtflächen sind häufig zwei konische Flächen ausgebildet, zwischen denen eine Dichtkante ausgebildet ist.
Die Dichtkante ergibt eine höhere Flächenpressung in diesem Bereich, um eine si¬ chere Abdichtung zwischen Ventildichtfläche und Ventilsitz zu erreichen. An die stromaufwärtige Konusfläche schließt sich der Schaftbereich der Ventilnadel an, der eine Zylinderform aufweist.
Durch das sehr häufige und schnelle Aufsetzen der Ventilnadel auf dem Ventilsitz verschleißt die Ventilnadel in diesem Bereich, so dass sie sich mit ihrer Ventil¬ dichtfläche allmählich immer tiefer in den Ventilsitz eingräbt, vor allem im Be¬ reich der Dichtkante. Der zylindrische Schaftbereich der Ventilnadel kann da- durch ebenfalls in den Ventilsitz eingehämmert werden. Zwischen der dadurch
gebildeten Vertiefung im Ventilsitz und dem Schaftbereich der Ventilnadel wird so ein Schieberventil gebildet, was bewirkt, dass zu Beginn der Öffnungshubbe¬ wegung der Ventilnadel zwar die Ventildichtfläche vom Ventilsitz abhebt, jedoch der Kraftstofffluss zu den Einspritzöffnungen durch das Schieberventil vorerst behindert wird. Erst beim weiteren Hub der Ventilnadel wird der Kraftstofffluss freigegeben, und die Einspritzung beginnt. Da dieser Effekt erst mit zunehmen¬ dem Verschleiß auftritt, kommt es mit der Zeit zu einer Veränderung des Ein¬ spritzverhaltens, da sich sowohl der Einspritzzeitpunkt als auch die eingespritzte Menge ändert. Dies wirkt sich ungünstig auf die Einspritzsteuerung der Brenn- kraftmaschine aus, da so eine optimale Einspritzung nicht mehr möglich ist. Eine
Folge davon kann ein erhöhter Verbrauch oder eine verminderte Leistung der Brennkraftmaschine sein. Auch die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine können wegen der nicht mehr optimalen Verbrennung zunehmen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Einspritzcharakteristik über die gesamte Lebensdauer des Kraftstoff¬ einspritzventils praktisch konstant bleibt. Hierzu sind an der Ventildichtfläche drei Konusflächen ausgebildet, wobei die zweite und die dritte Konusfläche einen
Öffnungswinkel aufweisen, der jeweils kleiner ist als der Sitzwinkel des koni¬ schen Ventilsitzes. Der Öffnungswinkel der ersten Konusfläche ist hingegen grö¬ ßer als der Sitzwinkel, so dass eine Dichtkante zwischen der ersten Konusfläche und der zweiten Konusfläche gebildet wird. Durch den Verschleiß zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz kann sich mit der Zeit auch die Kante zwi¬ schen der zweiten und der dritten Konusfläche in den Ventilsitz eingraben. Wegen der konischen Ausgestaltung der dritten Konusfläche ergibt sich jedoch - anders als bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil - der oben beschriebene Schieber¬ effekt nicht, so dass sich die Einspritzcharakteristik nicht oder nur unwesentlich ändert. Somit lässt sich eine optimale Einspritzung über die gesamte Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils erreichen.
Es kann vorgesehen sein, dass zwischen der ersten und der zweiten Konusfläche eine Ringnut ausgebildet ist, durch die an der Ventildichtfläche ein Hinterstich ausgebildet wird. Derart ausgestaltete Ventildichtflächen sind vor allem bei mo¬ dernen Common-Rail- Systemen verbreitet, die durch die erfindungsgemäße Aus-
gestaltung der Ventildichtfläche entscheidend verbessert werden können. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die erste Konusfläche direkt an die zweite Konus¬ fläche grenzt und so die Dichtkante am Übergang der beiden Konusflächen gebil¬ det wird.
Als vorteilhaft hat sich ein Öffnungswinkel der ersten Konusfläche erwiesen, der größer als 5° ist und dabei vorzugsweise wenigstens 5° kleiner ist als der Öff¬ nungswinkel der zweiten Konusfläche.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoff¬ einspritzventils dargestellt. Es zeigt
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritz- ventil,
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung im Bereich des Ventilsitzes, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist,
Figur 3 in derselben Darstellung wie Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der Er¬ findung, Figur 4 dasselbe Kraftstoffeinspritzventil wie Figur 3 in verschlissenem Zu¬ stand und
Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoff¬ einspritzventils in derselben Darstellung wie Figur 2.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt, das einen Ventilkörper 1 aufweist, in dem ein Druckraum 19 ausgebildet ist. Der Druckraum 19 wird an seinem brennraumseitigen Ende von einem konischen Ventilsitz 9 begrenzt, von dem in diesem Ausführungsbeispiel eine oder mehrere Einspritzöffnungen 11 ausgehen. Im Druckraum 19 ist eine Ventilnadel 5 längsverschiebbar angeordnet, die in einem Bohrungsbereich 3 des Druckraums 19 mit einem Führungsabschnitt 105 geführt ist. Ausgehend vom Führungsabschnitt 105 verjüngt sich die Ventil¬ nadel 5 unter Bildung einer Druckschulter 13 und geht in einen zylindrischen Schaftbereich 205 über, der an eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 7 grenzt. Die Ventilnadel 5 wirkt mit ihrer Ventildichtfläche 7 mit dem Ventilsitz 9
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zusammen und steuert durch ihre Längsbewegung einen Kraftstofffluss aus dem Druckraum 19 zu den Einspritzöffnungen 11. Im Ventilkörper 1 ist ein Zulaufka¬ nal 25 ausgebildet, der in eine radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet, die auf Höhe der Druckschulter 13 ausgebildet ist. Über den Zulauf kanal 25 lässt sich der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllen. Bei Anlage der Ventilnadel 5 auf dem Ventilsitz 9 werden die Einspritzöffnungen 11 ver¬ schlossen, so dass der Kraftstoff im Druckraum 19 verbleibt. Hebt die Ventilnadel 5 durch eine Längsbewegung vom Ventilsitz 9 ab, so fließt Kraftstoff aus dem Druckraum 19 zu den Einspritzöffnungen 11 und wird durch diese mit hohem Druck in den Brennraum eingespritzt.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Ausschnitts der Figur 1. Figur 2 stellt hierbei den Stand der Technik dar, bei dem die Ventildicht¬ fläche 7 eine erste Konusfläche 30 und eine zweite Konusfläche 32 aufweist, die voneinander durch eine Ringnut 35 getrennt sind. Hierbei weist die erste Konus¬ fläche einen Öffnungswinkel Oq auf, der größer ist als der Sitzwinkel ß des koni¬ schen Ventilsitzes 9. Der Öffnungswinkel 0C2 der zweiten Konusfläche 32 ist hin¬ gegen kleiner als der Sitzwinkel ß des Ventilsitzes 9, wobei der zylindrische Schaftbereich 205 direkt an die zweite Konusfläche 32 grenzt. Nach einem gewis- sen Verschleiß, bei dem sich im Laufe der Zeit die Ventildichtfläche 7 in den
Ventilsitz 9 eingräbt, ergibt sich das in Figur 2 gezeigte Bild, wobei der Ver¬ schleiß zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt ist. Der Schaftbereich 205 gräbt sich in den Ventilsitz 9 ein, so dass zwischen der im Ventilsitz 9 entstandenen Vertiefung und dem Schaftbereich 205 ein Schieberventil gebildet wird. Bewegt sich zur Freigabe der Einspritzöffnungen 11 die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 weg, so kann der Kraftstoff erst dann ungehindert aus dem Druckraum 19 zu den Einspritzöffnungen 11 fließen, wenn die Ventilnadel 5 den Hub h durchfahren hat. Da dieser Schiebereffekt erst nach längerem Verschleiß eintritt, kommt es somit über die Lebensdauer zu einer allmählichen Veränderung des Einspritzverhaltens des Kraftstoffeinspritzventils, weshalb eine optimale Einspritzung nicht mehr ge¬ währleistet ist.
Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoff¬ einspritzventils, wobei die Darstellung dieselbe wie in Figur 2 ist. Zwischen dem Schaftbereich 205 und der zweiten Konusfläche 32 ist eine dritte Konusfläche 34 ausgebildet, die einen dritten Öffnungswinkel 0C3 aufweist. Der dritte Öffnungs-
winkel 0C3 ist hierbei kleiner als der zweite Öffhungswinkel (*2 der zweiten Ko¬ nusfläche 32, jedoch sind sowohl der dritte Öffhungswinkel 0C3 als auch der zwei¬ te Öffnungs winkel (*2 kleiner als der Sitzwinkel ß des Ventilsitzes 9. An die zwei¬ te Konusfläche 32 schließt sich eine Ringnut 35 an, die wiederum an eine erste Konusfläche 30 grenzt. Am Übergang der zweiten Konusfläche 32 zur Ringnut 35 ist eine Dichtkante 40 ausgebildet, die im Neuzustand des Kraftstoffeinspritzven¬ tils, wie es in Figur 3 dargestellt ist, am Ventilsitz 9 aufliegt und für die Abdich¬ tung des Druckraums 19 gegenüber den Einspritzöffnungen 11 sorgt.
Die Einspritzung von Kraftstoff geschieht in der Weise, dass die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 wegbewegt wird, so dass Kraftstoff aus dem Druckraum 19 zwi¬ schen der Ventildichtfläche 7 und dem Ventilsitz 9 hindurch zu den Einspritzöff¬ nungen 11 fließt und von dort in den Brennraum eingespritzt wird. Bei sogenann¬ ten Common-Rail-Einspritzsystemen wird hierbei stets ein vorgegebener hoher Kraftstoffdruck im Druckraum 19 vorgehalten, der eine hydraulische Kraft auf
Teile der Ventildichtfläche 7 und auf die Druckschulter 13 ausübt, die die Ventil¬ nadel 5 vom Ventilsitz 9 wegdrückt. Dieser Öffnungskraft wirkt eine Schließkraft entgegen, die bei Common-Rail- Systemen üblicherweise hydraulisch erzeugt wird. Zur Bewegung der Ventilnadel 5 wird die Schließkraft reduziert. Durch den Druck im Druckraum 19 wird die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 weggedrückt, sodass Kraftstoff aus dem Druckraum 19 zwischen der Ventildichtfläche 7 und dem Ventilsitz 9 hindurch zu den Einspritzöffnungen 11 fließen kann. Soll die Einspritzung beendet werden, wird die Schließkraft wieder erhöht, wodurch die Ventilnadel 5 zurück in ihre Schließstellung gleitet.
In Figur 4 ist der verschlissene Zustand der in Figur 3 dargestellten Ventilnadel 5 gezeigt. Man erkennt, dass der Schiebereffekt, wie er bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffeinspritzventil nach Figur 2 auftritt, hier nicht gege¬ ben ist. Durch die konische Ausgestaltung der dritten Konusfläche 34 ergibt sich sofort bei Beginn der Öffnungshubbewegung der Ventilnadel 5 ein Kraftstofffluss aus dem Druckraum 19 zwischen der Ventildichtfläche 7 und dem Ventilsitz 9 hindurch, so dass sich die Einspritzcharakteristik des Kraftstoffeinspritzventils über die Lebensdauer nicht oder nur geringfügig ändert. Hierdurch sind präzisere Einspritzungen möglich, die die Leistung der Brennkraftmaschine über die gesam- te Lebensdauer erhalten.
Figur 5 zeigt in derselben Darstellung wie Figur 3 ein zweites Ausfuhrungsbei¬ spiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils. Im Gegensatz zu Figur 3 ist zwischen der ersten Konusfläche 30 und der zweiten Konusfläche 32 keine Ringnut ausgebildet, so dass die beiden Konusflächen 30, 32 direkt aneinander grenzen. Die Dichtkante 40 ist jetzt am Übergang der ersten Konusfläche 30 zur zweiten Konusfläche 32 ausgebildet.