DE10133166A1

DE10133166A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10133166A1
Application number: DE10133166A
Authority: DE
Inventors: Michael Lindner; Juergen Bauer; Martin Zimmer; Claus Westphal; Alexander Redlich; Ruediger Bohnsack; Peter Rehbein; Juergen Hackenberg; Georg Ketteler; Marcus Rinke; Jochen Straehle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-07
Filing date: 2001-07-07
Publication date: 2003-01-16
Also published as: KR20030036754A; PL201527B1; CN1464941A; CN1308592C; US20040079818A1; JP4204462B2; DE50214714D1; PL370638A1; BR0205718A; JP2004521264A; EP1407133B1; EP1407133A1; WO2003004865A1; US7143965B2

Abstract

Kraftstoffversorgungseinrichtung mit einem Gehäuse (1), in dem in einer Bohrung (3) ein kolbenförmiges Bauteil (5) längsverschiebbar angeordnet ist, das mit einem Führungsabschnitt (105) in der Bohrung (3) dichtend geführt ist. Hierbei grenzt der Führungsabschnitt (105) an einem Ende an einen ersten kraftstoffgefüllten Raum (19) und an seinem anderen Ende an einen zweiten kraftstoffgefüllten Raum (15). Im Führungsabschnitt (105) des kolbenförmigen Bauteils (5) ist wenigstens eine zumindest näherungsweise in Umfangsrichtung verlaufende Ausnehmung (30) ausgebildet, die sich zumindest über einen Teil des Umfangs des kolbenförmigen Bauteils (5) erstreckt und die in Längsrichtung des kolbenförmigen Bauteils (5) gesehen einen asymmetrischen Querschnitt aufweist (Fig. 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Kraftstoffversorgungseinrichtung für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Eine solche Kraftstoffversorgungseinrichtung ist beispielsweise aus der Schrift DE 198 20 264 A1 bekannt. Die Kraftstoffversorgungseinrichtung weist ein Gehäuse auf, in dem in einer Bohrung ein kolbenförmiges Bauteil längsverschiebbar angeordnet ist. Das kolbenförmige Bauteil, das beispielsweise als Ventilnadel ausgebildet sein kann, wird in einem Führungsabschnitt der Bohrung dichtend in dieser geführt. An einem Ende des Führungsabschnitts schließt sich an diesen ein erster kraftstoffgefüllter Raum an und an das andere Ende des Führungsabschnitts ein zweiter kraftstoffgefüllter Raum. Aufgrund der dichtenden Führung kann nur stark gedrosselt Kraftstoff durch den zwischen dem kolbenförmigen Bauteil und der Wand der Bohrung ausgebildeten Ringspalt von einem kraftstoffgefüllten Raum in den anderen fließen, wobei der Kraftstoff im Ringspalt einen Schmierfilm bildet.

In der Kraftstoffversorgungseinrichtung, die beispielsweise ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen sein kann, bewegt sich das kolbenförmige Bauteil in der Bohrung in Längsrichtung. Hierdurch kann es zu einem Verschleiß zwischen dem kolbenförmigen Bauteil und der Wand der Bohrung kommen. Um den Verschleiß zu minimieren, insbesondere dann, wenn zwischen dem ersten und dem zweiten kraftstoffgefüllten Raum eine Druckdifferenz herrscht, sind verschiedene Maßnahmen, wie beispielsweise Strukturierungen und Beschichtungen des kolbenförmigen Bauteils, bekannt. In der DE 198 20 264 A1 sind rillenartige Nuten am Führungsabschnitt des kolbenförmigen Bauteils gezeigt, die dort in verschiedenen Tiefen und Breiten und in verschiedenen Anordnungen ausgebildet sind. Hierbei wird jedoch nicht berücksichtigt, dass der erste und der zweite kraftstoffgefüllte Raum der Kraftstoffversorgungseinrichtung in ihrer Funktion und den darin auftretenden Drücken ungleich sind und dass sich das kolbenförmige Bauteil beispielsweise in die beiden Längsrichtungen jeweils mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegt. Hierdurch ist der Schmierfilm zwischen dem Führungsabschnitt des kolbenförmigen Bauteils und der Wand der Bohrung nicht immer optimal ausgebildet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungseinrichtung für Brennkraftmaschinen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass zwischen dem Führungsabschnitt des kolbenförmigen Bauteils und der Wand der Bohrung stets ein optimaler Kraftstoffschmierfilm gebildet wird, der die Reibung des kolbenförmigen Bauteils in der Bohrung minimiert. Zu diesem Zweck verläuft am Führungsabschnitt des kolbenförmigen Bauteils zumindest näherungsweise in tangentialer Richtung zumindest eine Ausnehmung, die sich zumindest über einen Teil des Bauteilumfangs erstreckt. In Längsrichtung des Bauteils weist die Ausnehmung einen asymmetrischen Querschnitt auf, so dass den unterschiedlichen Bedingungen, wie sie bei der Bewegung des kolbenförmigen Bauteils in die eine beziehungsweise die andere Längsrichtung herrschen, Rechnung getragen wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung weist die Ausnehmung einen in Längsrichtung des kolbenförmigen Bauteils gesehen V-förmigen Querschnitt auf, wobei eine Flanke des Querschnittes kürzer ist als die andere Flanke. Je nach Orientierung der Flanken bezüglich der Längsrichtung des kolbenförmigen Bauteils kann eine Optimierung der Schmiereigenschaften im Ringspalt zwischen dem kolbenförmigen Bauteil und der Wand der Bohrung erreicht werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind an dem kolbenförmigen Bauteil mehrere Ausnehmungen ausgebildet, die jeweils einen V-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei die kürzere Flanke von einer Ausnehmung zur anderen abwechselnd dem ersten und dem zweiten Raum zugewandt sind. Diese Anordnung hat sich bei bestimmten Konfigurationen bezüglich des Drucks und des Betriebs in der Brennkraftmaschine als vorteilhaft erwiesen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Übergang von der Oberfläche des Führungsabschnitts des kolbenförmigen Bauteils zur kürzeren Flanke der Ausnehmung scharfkantig ausgebildet, während der Übergang der Oberfläche des kolbenförmigen Bauteils zur längeren Flanke der V-förmigen Ausnehmung gerundet ist. Durch diese Ausgestaltung der Übergänge lässt sich eine weitere Optimierung der Schmiereigenschaften erreichen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Flanken der V-förmigen Ausnehmung einen Länge von 0,03 mm bis 1 mm auf. Diese Mikrostrukturierung erlaubt eine Anpassung der Schmiereigenschaften an hochpräzise Führungen des kolbenförmigen Bauteils, wie sie beispielsweise in Kraftstoffeinspritzventilen verwendet werden, die für selbstzündende Brennkraftmaschinen Verwendung finden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungseinrichtung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen im Längsschnitt,
Fig. 2 eine Vergrößerung von Fig. 1 im mit II bezeichneten Ausschnitt,
Fig. 3 denselben Ausschnitt wie Fig. 2 eines weiteren Ausführungsbeispiels und
Fig. 4, 5, 6, und 7 einen Querschnitt der in Fig. 1 gezeigten Ventilnadel entlang der Linie IV-IV verschiedener Ausführungsbeispiele.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungseinrichtung dargestellt. Die Kraftstoffversorgungseinrichtung ist hier ein Kraftstoffeinspritzventil, das ein Gehäuse 1 aufweist. Das Gehäuse 1 umfasst einen Ventilkörper 2 und einen Ventilhaltekörper 4, die aneinander anliegen und durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung gegeneinander gepresst werden. Im Ventilkörper 2 ist eine Bohrung 3 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen Ende durch einen im wesentlichen konischen Ventilsitz 9 verschlossen ist. Im Ventilsitz 9 ist wenigstens eine Einspritzöffnung 11ausgebildet, die die Bohrung 3 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. In der Bohrung 3 ist ein kolbenförmiges Bauteil in Form einer Ventilnadel 5 angeordnet, welche Ventilnadel 5 eine Längsachse 6 aufweist und in einem Führungsbereich 103 der Bohrung 3 mit einem Führungsabschnitt 105 dichtend geführt ist. Die Ventilnadel 5 verjüngt sich dem Ventilsitz 9 zu unter Bildung einer Druckschulter 13 und geht an ihrem brennraumseitigen Ende in eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 7 über, die mit dem Ventilsitz 9 zusammenwirkt. Das Zusammenwirken geschieht hierbei in der Weise, dass bei Anlage der Ventildichtfläche 7 am Ventilsitz 9 die Einspritzöffnung 11 gegen die Bohrung 3 verschlossen wird, während bei vom Ventilsitz 9 abgehobene Ventildichtfläche 7 die Einspritzöffnung 11 freigegeben wird. Durch eine radiale Erweiterung der Bohrung 3 ist auf Höhe der Druckschulter 13 ein erster kraftstoffgefüllter Raum 19 angeordnet, der als Druckraum im Ventilkörper 2 ausgebildet ist und der sich als ein die Ventilnadel 5 umgebender Ringkanal bis zum Ventilsitz 9 fortsetzt. Der Druckraum 19 ist hierbei über einen im Ventilkörper 2 und im Ventilhaltekörper 4 verlaufenden Zulaufkanal 25 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar.
Am brennraumabgewandten Ende grenzt die Bohrung 3 an einen im Ventilhaltekörper 4 ausgebildeten zweiten kraftstoffgefüllten Raum 15, der in diesem Ausführungsbeispiel als Leckölraum ausgebildet ist. Der Leckölraum 15 ist hierbei ständig mit einem Leckölsystem verbunden, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist und das gewährleistet, dass der Leckölraum 15 stets druckentlastet ist. Zumindest zeitweilig besteht also ein großer Druckunterschied zwischen dem als Druckraum ausgebildeten ersten Raum 19 und dem als Leckölraum ausgebildeten zweiten Raum 15. Zwischen der Ventilnadel 5 und der Wand der Bohrung 3 verbleibt ein Ringspalt 17, durch den ein gewisser, stark gedrosselter Kraftstoffstrom vom Druckraum 19 in den Leckölraum 15 stattfindet. Dadurch bildet sich im Ringspalt 17 ein Kraftstoff-Schmierfilm, auf dem die Ventilnadel 5 gleitet. Im Druckraum 19 kann hierbei ein Kraftstoffdruck von 150 MPa und mehr erreicht werden, während im Leckölraum 15 stets ein Druck herrscht, der im wesentlichen dem Atmosphärendruck entspricht.
Im Führungsabschnitt 105 der Ventilnadel 5 sind Ausnehmungen 30 angeordnet, die als Ringnuten den gesamten Umfang der Ventilnadel 5 umfassen. Fig. 2 zeigt eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts, wobei in Fig. 2 sowohl der Ventilkörper 2 als auch die Ventilnadel 5 bzw. deren Führungsabschnitt 105 geschnitten dargestellt sind. Wie in Fig. 2 zu sehen weist die Ausnehmung 30 einen V-förmigen Querschnitt auf, der durch eine erste Flanke 38 und eine zweite Flanke 40 gebildet wird. Die erste Flanke 38 ist hierbei kürzer als die zweite Flanke 40, so dass die erste Flanke 38 mit der Längsachse 6 der Ventilnadel 5 einen größeren Winkel einschließt als die zweite Flanke 40. Die erste Flanke 38 und die zweite Flanke 40 treffen sich in einer Scheitellinie 34, an der die Ausnehmung 30 die größte Tiefe t aufweist. Die Scheitellinie 34 kann hierbei scharfkantig ausgeführt sein oder auch abgerundet.
In Richtung der Längsachse 6 weist die erste Flanke 38 eine Ausdehnung a und die zweite Flanke 40 eine Ausdehnung b auf, wobei die Ausnehmungen 30 einen Abstand d voneinander aufweisen. Das Verhältnis von a zu b kann in großen Bereichen variiert werden, um die Schmiereigenschaften der Ausnehmungen 30 an die Oberflächen der Bohrungswand 3 und der Ventilnadel 5 anzupassen oder an die Größe des Ringspalts 17. Am Übergang des Führungsabschnitts 105 zur ersten Flanke 38 ist eine erste Übergangskante 32 ausgebildet, ebenso am Übergang des Führungsabschnitts 105 zur zweiten Flanke 40 eine zweite Übergangskante 36. Um die Schmiereigenschaften der Ausnehmungen 30 zu optimieren, ist die dem Druckraum 19 zugewandte erste Übergangskante 32 als scharfkantiger Übergang ausgebildet, der nicht gerundet wird. Im Gegensatz dazu ist die zweite Übergangskante 36 gerundet ausgebildet. Hierdurch lassen sich, was sowohl in der Simulation als auch im Versuch nachweisbar ist, die Schmiereigenschaften der Ausnehmung 30 optimieren.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ausnehmungen 30 dargestellt. Die Ausnehmungen 30 entsprechen in ihren Abmessungen und in der Ausbildung der ersten Flanke 38 und der zweiten Flanke 40 den Ausnehmungen in Fig. 2, jedoch weisen die benachbarten Ausnehmungen 30 eine unterschiedliche Orientierung auf. Das heißt, in der einen Ausnehmung 30 ist die erste kurze Flanke 38 dem Druckraum 19 zugewandt und in der benachbarten Ausnehmung 30 dem Druckraum 19 abgewandt. Eine solche alternierende Anordnung der Ausnehmungen 30 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Druckunterschied vom ersten Raum 19 zum zweiten Raum 15 nicht sehr groß ist. Die erste Übergangskante 32 ist auch hier scharfkantig ausgebildet, während die zweite Übergangskante 36 gerundet ausgeführt ist.
Wie bereits erwähnt können die Abmessungen a und b der ersten Flanke 38 bzw. der zweiten Flanke 40 in weiten Grenzen variiert werden. Es kann auch vorgesehen sein, die axiale Erstreckung a der ersten Flanke 38 gleich 0 zu setzen, so dass die erste Flanke 38 in einer Radialebene der Längsachse 6 der Ventilnadel 5 angeordnet ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Flanken 38 bzw. 40 nicht gerade ausgeführt sind, sondern eine konvexe oder konkave Krümmung annehmen, was unter bestimmten Umständen vorteilhaft sein kann.
Die Abmessungen der Ausnehmungen 30 sind folgendermaßen: Die axialen Erstreckungen der Flanken 38 bzw. 40 in Richtung der Längsachse 6 der Ventilnadel 5 beträgt 0,03 bis 1 mm, vorzugsweise 0,02 bis 0,1 mm. Die Tiefe t der Ausnehmungen 30 ist hierbei kleiner als 0,1 mm, vorzugsweise 0,001 bis 0,04 mm. Der Abstand d der Ausnehmungen 40 voneinander beträgt 0,05 bis 1 mm.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen 30 nicht als Ringnuten ausgebildet sind, die den gesamten Umfang des kolbenförmigen Bauteils, das hier als Ventilnadel 5 ausgebildet ist, umgeben, sondern nur einen Teil des Umfangs. Weiter kann es vorgesehen sein, dass die Tiefe t der Ausnehmungen 30 mit dem Umfang variiert. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt, wo ein Querschnitt durch die Ventilnadel 5 entlang der Linie IV-IV der Fig. 1 gezeigt ist. Die Ausnehmung 30 weist hier an einem Punkt eine Tiefe von 0 auf, wobei sich die Tiefe der Ausnehmung 30 über den Umfang erhöht, bis sie an der gegenüberliegenden Seite der Ventilnadel 5 einen Maximalwert annimmt. Ein weiteres Beispiel ist in Fig. 5 dargestellt, wo die Ausnehmung 30 im Querschnitt eine sichelförmige Kontur aufweist, so dass die Tiefe t in diesem Fall ebenfalls von 0 bis zu einem Maximalwert reicht. Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Ausnehmung 30, wobei sich die Ausnehmung 30 hier nur über etwa 1/4 des Umfangs erstreckt. Sie weist jedoch eine konstante Tiefe t auf. Sind mehrere Ausnehmungen 30 an der Ventilnadel 5 vorgesehen und bedecken diese jeweils nur einen Teil des Umfangs des Führungsabschnitts 105 der Ventilnadel 5, so können diese Ausnehmungen 30 über den Umfang des Führungsabschnitts 105 verteilt angeordnet sein. Fig. 7 zeigt den Querschnitt des Führungsabschnitts 105 der Ventilnadel 5 bei einer als Ringnut ausgeführten Ausnehmung 30, die über den gesamten Umfang dieselbe Tiefe t aufweist.
Die beschriebenen Formen der Ausnehmungen 30 können sowohl auf dem kolbenförmigen Bauteil 5 beziehungsweise dessen Führungsabschnitt 105 oder auch an der Innenwand der Bohrung 3 ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, derartige Strukturierungen der Ausnehmungen an beiden Flächen auszubilden, also sowohl an der Innenseite der Bohrung 3 als auch an der Führungsfläche 105 des kolbenförmigen Bauteils 5. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass die als Nuten ausgebildeten Ausnehmungen 30 nicht exakt in tangentialer Richtung des kolbenförmigen Bauteils 5 verlaufen, sondern in einem mehr oder weniger großen Winkel zur Längsachse des kolbenförmigen Bauteils 5, beispielsweise 5° bis 10°.
Neben der Ausbildung von erfindungsgemäßen Ausnehmungen 30 an Ventilnadeln von Kraftstoffeinspritzventilen kann es auch vorgesehen sein, derartige Ausnehmungen an sonstigen kolbenförmigen Bauteilen auszubilden, die in einer Bohrung geführt sind und bei denen die Reibung in der Bohrung reduziert werden soll. Insbesondere ist es vorteilhaft, derartige Ausnehmungen dann auszubilden, wenn der erste und der zweite mit Kraftstoff oder einer sonstigen Flüssigkeit gefüllte Raum einen voneinander deutlich verschiedenen Druck aufweisen.

Claims

1. Kraftstoffversorgungseinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse (1), in dem in einer Bohrung (3) ein kolbenförmiges Bauteil (5) längsverschiebbar angeordnet ist, das mit einem Führungsabschnitt (105) in der Bohrung (3) dichtend geführt ist, wobei der Führungsabschnitt (105) an einem Ende an einen ersten kraftstoffgefüllten Raum (19) angrenzt und an seinem anderen Ende an einen zweiten kraftstoffgefüllten Raum (15), dadurch gekennzeichnet, dass im Führungsabschnitt (105) des kolbenförmigen Bauteils (5) wenigstens eine zumindest näherungsweise in Umfangsrichtung verlaufende Ausnehmung (30) ausgebildet ist, die sich zumindest über einen Teil des Umfangs des kolbenförmigen Bauteils (5) erstreckt und die in Längsrichtung des kolbenförmigen Bauteils (5) gesehen einen asymmetrischen Querschnitt aufweist.

2. Kraftstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ausnehmung (30) einen V-förmigen Querschnitt aufweist, wodurch eine erste Flanke (38) und eine zweite Flanke (40) gebildet werden, wobei die erste Flanke (38) kürzer als die zweite Flanke (40) ist.

3. Kraftstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ausnehmungen (30) an dem kolbenförmigen Bauteil (5) ausgebildet sind, wobei in der Aufeinanderfolge je zweier Ausnehmungen die längeren Flanken (40) und die kürzeren Flanken (38) der Ausnehmung (30) einander benachbart sind.

4. Kraftstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der Oberfläche des kolbenförmigen Bauteils (5) zur kürzeren Flanke (38) der Ausnehmung (30) scharfkantig ausgebildet ist, während der Übergang der Oberfläche des kolbenförmigen Bauteils (5) zur längeren Flanke (40) gerundet ist.

5. Kraftstoffversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (38; 40) in Längsrichtung des kolbenförmigen Bauteils (5) eine Ausdehnung von 0,03 mm bis 1 mm aufweisen.

6. Kraftstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Ausnehmung (30) über den Umfang des kolbenförmigen Bauteils (5) variiert.

7. Kraftstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t) der wenigstens einen Ausnehmung weniger als 0,1 mm beträgt.

8. Kraftstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t) der Ausnehmung 0,001 bis 0,04 mm beträgt.

9. Kraftstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Raum (19) zumindest zeitweise ein höherer Druck herrscht als im zweiten Raum (15).

10. Kraftstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckunterschied vom ersten Raum (19) zum zweiten Raum (15) zumindest zeitweise mehr als 50 MPa beträgt.

11. Kraftstoffversorgungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffversorgungseinrichtung ein Kraftstoffeinspritzventil ist.

12. Kraftstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das kolbenförmige Bauteil eine Ventilnadel (5) ist.

13. Kraftstoffversorgungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Raum ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum (19) ist und der zweite Raum ein mit einer Lecköleinrichtung verbundener Leckölraum (15).