DE102004050048A1

DE102004050048A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102004050048A1
Application number: DE102004050048A
Authority: DE
Inventors: Patrick Mattes; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-04-27
Also published as: ATE467047T1; EP1802864A1; EP1802864B1; DE502005009539D1; WO2006040283A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil mit einem Ventilkörper (1), in dem eine Bohrung (3) mit einer Längsachse (8) ausgebildet ist, die an einem Ende von einem Ventilsitz (11) begrenzt wird. In der Bohrung (3) ist eine Ventilnadel (5) längsverschiebbar angeordnet, die mit dem Ventilsitz (11) so zusammenwirkt, dass durch die Längsbewegung der Ventilnadel (5) ein Durchflussquerschnitt aus einem Druckraum (19) auf- und zugesteuert werden kann. Der Ventilsitz (11) und die Außenwand des Ventilkörpers (1) sind konisch ausgebildet und zueinander parallel, so dass ein Konusbereich (18) mit einer konstanten Wanddicke (D¶S¶) gebildet wird, in welchem Konusbereich (18) wenigstens eine äußere Einspritzöffnung (17) ausgebildet ist. An den konischen Ventilsitz (11) schließt sich ein Sackloch (9) an, wobei das Sackloch (9) an dem der Ventilnadel (5) abgewandten Ende einen halbkugelförmigen Kuppenabschnitt (22) aufweist. Die Außenwand ist in diesem Bereich ebenfalls halbkugelförmig ausgebildet, so dass der Kuppenbereich (22) eine konstante Wanddicke (D¶k¶) aufweist, wobei im Kuppenbereich (22) wenigstens eine innere Einspritzöffnung (27) ausgebildet ist (Figur 2).

Description

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, wie es beispielsweise aus der Schrift DE 196 42 513 A1 bekannt ist. Bei einem solchen Kraftstoffeinspritzventil ist in einem Ventilkörper eine Bohrung ausgebildet, in der eine Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet ist. Die Ventilnadel wirkt mit einem Ventilsitz zusammen und steuert dadurch den Kraftstofffluss aus einem die Ventilnadel umgebenden Druckraum zu wenigstens einer Einspritzöffnung. Der Ventilsitz ist konisch ausgebildet, und es ist in diesem Bereich des Kraftstoffeinspritzventils wenigstens eine Einspritzöffnung ausgebildet, die den Ventilsitz mit dem Brennraum der Brennkraftmaschinen verbindet. An den konischen Ventilsitz schließt sich wiederum ein Sackloch an, von dem wenigstens eine weitere Einspritzöffnung ausgeht.

Aus der DE 196 42 513 A1 ist eine Sacklochform bekannt, bei der die Innenwand des Sacklochs zumindest näherungsweise halbkugelförmig ausgebildet ist, während die Außenwand des Ventilkörpers in diesem Bereich durchgängig sowohl im Bereich des Ventilsitzes als auch im Bereich des Sacklochs konisch geformt ist. Kraftstoffeinspritzventile werden in der jeweiligen Brennkraftmaschine häufig nicht in der Längsachse des Brennraums angebracht, sondern schräg dazu. Dies macht es notwendig, die Spritzlöcher in unterschiedlichen Winkeln bezüglich der Längsachse des Ventilkörpers der Ventilnadel auszubilden, damit der Kraftstoff nach wie vor bei der Einspritzung gleichmäßig im Brennraum verteilt wird. Dies ist bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil nicht möglich, da durch die unter schiedlichen Wandstärken in den einzelnen Bereichen des Sackslochs auch unterschiedliche Spritzlochlängen erzeugt werden. Dies beeinflusst die Strahlbildung erheblich und kann nur schwer durch einen geänderten Spritzlochdurchmesser oder durch unterschiedliche Rundung an den Eintrittskanten der Spritzlöcher kompensiert werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sowohl im Sitzloch als auch im Sackloch stets eine konstante Wandstärke vorhanden ist, die eine freie Auslegung der Einspritzöffnungen möglich macht. Hierzu ist das Sackloch so geformt, dass sowohl die Innenwand als auch die Außenwand halbkugelförmig ausgebildet sind und sich so im Kuppenbereich des Sacklochs eine konstante Wanddicke ergibt. Darüber hinaus bietet diese Ausgestaltung den Vorteil, dass die Wanddicke im Bereich des konischen Ventilsitzes und des Sacklochs unabhängig voneinander eingestellt werden kann. Dadurch ergeben sich mehr Freiheitsgrade bei der Auslegung des Kraftstoffeinspritzventils.

Durch die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. Durch die Ausgestaltung mehrerer Einspritzöffnungen sowohl im Bereich des Ventilsitzes als auch im Bereich des Sacklochs lassen sich sehr viele Einspritzöffnungen im Kraftstoffeinspritzventil unterbringen, was einen kleineren Spritzquerschnitt der einzelnen Einspritzöffnungen ermöglicht und damit eine bessere Zerstäubung des Kraftstoff bei gleichem Gesamtquerschnitt der Einspritzöffnungen.

Die Einspritzöffnungen können sowohl im Bereich des Sacklochs als auch im Bereich des konischen Ventilsitzes unterschiedliche Neigungswinkel bezüglich der Längsachse der Bohrung aufweisen und es können unterschiedliche Wanddicken im Sackloch und am Ventilsitz vorgesehen sein. So kann das Kraftstoffeinspritzventil optimal an die Einbaubedingungen in der Brennkraftmaschinen angepasst werden.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt

1 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritzventil und

2 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt von 1 im Bereich des Ventilsitzes.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Teile gezeigt sind. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper 1 auf, in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist, die eine Längsachse 8 aufweist und die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem konischen Ventilsitz 11 begrenzt wird. In der Bohrung 3 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar angeordnet, die mit einem Führungsabschnitt 15 in einem ventilsitzabgewandten Bereich der Bohrung 3 dichtend geführt ist. Die Ventilnadel 5 verjüngt sich ausgehend vom Führungsabschnitt 15 dem Ventilsitz 11 zu unter Bildung einer Druckschulter 13 und geht an ihrem ventilsitzseitigen Ende in eine Ventildichtfläche 7 über, mit der die Ventilnadel 5 mit dem Ventilsitz 11 zusammenwirkt. Zwischen der Ventilnadel 5 und der Wand der Bohrung 5 ist ein Druckraum 19 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 13 radial erweitert ist. In die radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet ein im Ventilkörper 1 verlaufender Zulaufkanal 25, über den der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann. An den Ventilsitz 11 schließt sich ein Sackloch 9 an, in das die Ventilnadel 5 bei Anlage am Ventilsitz 11 hineinragt. Vom Ventilsitz 11 gehen äußere Einspritzöffnungen 17 und vom Sackloch 9 innere Einspritzöffnungen 27 ab, die sämtlich in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventil in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden.
Die Ventilnadel 5 wird an ihrem ventilsitzabgewandten Ende von einer Schließkraft beaufschlagt, die beispielsweise durch ein Federelement erzeugt wird und die die Ventilnadel 5 gegen den Ventilsitz 11 drückt. Der Schließkraft entgegengerichtet ist die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 13, die durch den hohen Kraftstoffdruck im Druckraum 19 erzeugt wird. Übersteigt die hydraulische Kraft auf die Ventilnadel 5 die Schließkraft, so hebt die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 11 ab, so dass ein Durchflussquerschnitt aufgesteuert wird und Kraftstoff aus dem Druckraum 19 zwischen der Ventildichtfläche 7 und dem Ventilsitz 11 hindurch zu den inneren Einspritzöffnungen 27 und den äußeren Einspritzöffnungen 17 fließt. Der Kraftstoff tritt durch die äußeren Einspritzöffnungen 17 aus und fließt zusätzlich in das Sackloch 9, von wo der Kraftstoff über die inneren Einspritzöffnungen 27 ausgespritzt wird. Die Einspritzung wird beendet, indem entweder die Schließkraft erhöht oder die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 13 erniedrigt wird. Die Ventilnadel 5 gleitet dann zurück in Anlage an den Ventilsitz 11 und unterbricht den Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen 17, 27.
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung von 1 im Bereich des Ventilsitzes 11. Die Ventildichtfläche 7 der Ventilnadel 5 weist eine erste Konusfläche 14 und eine zweite Konusfläche 16 auf, wobei die erste Konusfläche einen kleiner Öffnungswinkel aufweist als der konische Ventilsitz 11, während die zweite Konusfläche einen größeren Öffnungswinkel aufweist. Dadurch wird an der Grenze zwischen den beiden Konusflächen 14, 16 eine Dichtkante 12 gebildet, mit der die Ventilnadel 5 auf dem Ventilsitz 11 aufsetzt. Wegen der hohen Flächenpressung im Bereich der Dichtkante 12 ergibt sich eine gute Dichtung, so dass der Druckraum 19 auch bei hohem Druck sicher verschlossen wird.
Die äußeren Einspritzöffnungen 17 gehen vom konischen Ventilsitz 11 aus, so dass der Kraftstoff eine unterschiedlich starke Richtungsänderung vollziehen muss, wenn er in die entsprechende äußere Einspritzöffnung 17 einläuft. Der konische Ventilsitz 11 weist eine Länge d auf, in dem die Außenwand des Ventilkörpers 1 ebenfalls eine konische Form aufweist, die parallel zum konischen Ventilsitz 11 ist, wodurch ein Konusbereich 18 des Ventilkörpers 1 mit einer konstanten Wanddicke D_s gebildet wird. Da jede Richtungsänderung mit einem Druckverlust einhergeht, reduziert sich der effektive Einspritzdruck immer stärker, je kleiner der Neigungswinkel a₁ zwischen der zylindrischen äußeren Einspritzöffnung 17 und der Längsachse 8 ist. Andererseits ist die Spritzlochlänge um so größer, je größer der Neigungswinkel a₁ ist. Solange der Neigungswinkel a₁ so klein ist, dass der Winkel a₂ zwischen dem Ventilsitz 11 und der äußeren Einspritzöffnung 17 größer als 90° ist, kompensieren sich also Neigungswinkel a₁ und Spritzlochlänge bis zu einem gewissen Grad, da eine größere Spritzlochlänge natürlich mit einem erhöhten Strömungswiderstand der äußeren Einspritzöffnungen 17 einhergeht.
Die Ventilnadel 5 ragt bis in das Sackloch 9, das sich an den konischen Ventilsitz 11 anschließt. Das Sackloch 9 besteht hierbei aus einem Zwischenabschnitt 11 und einem Kuppenabschnitt 22. Der Zwischenabschnitt 11 ist beispielsweise zylindrisch oder leicht konisch ausgebildet und kann in der Länge stark variieren. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Zwischenabschnitt 11 ganz entfällt, solange das Sackloch 9 ausreichend tief ist, um die gesamte Spitze der Ventilnadel 5 aufzunehmen. Der Kuppenabschnitt 22 weist eine Grundlinie 23 auf und ist im Inneren in Form einer Halbkugel mit Radius R_i geformt, wobei die Außenwand des Kuppenabschnitts 22 ebenfalls eine Halbkugel mit einem Radius R_a bildet. Hierdurch weist das Sackloch 9 im Bereich des Kuppenabschnitts 22 eine Wanddicke D_k auf, so dass alle inneren Einspritzöffnungen 27 unabhängig von ihrem Neigungswinkel b bezüglich der Längsachse 8 die gleiche Spritzlochlänge haben.
Der effektive Einspritzdruck, also der Kraftstoffdruck, mit dem der Kraftstoff letztendlich aus den inneren Einspritzöffnungen 27 bzw. den äußeren Einspritzöffnungen 17 austritt, hängt durch die Kombination aus konischem Ventilsitz 11 mit der konstanten Wanddicke D_s im Konusbereich 18 und dem Sackloch 9 mit kugeliger Innen- und Außenform im Kuppenbereich 22 zumindest annähernd nicht vom Neigungswinkel der jeweiligen Einspritzöffnungen 17, 27 mit der Längsachse 8 der Bohrung 3 ab. Die inneren und die äußeren Einspritzöffnungen 17, 27 können dadurch in einem großen Bereich beliebig angeordnet werden, ohne die Einspritzung qualitativ zu beeinträchtigen. Die einzelnen Einspritzstrahlen behalten ihre Charakteristik bei, das heißt, sie haben die gleiche Eindingtiefe und zerstäuben den Kraftstoff in der gleichen Weise.
Die äußeren Einspritzöffnungen 17 und die inneren Einspritzöffnungen 27 können auch so angeordnet werden, dass die Einspritzstrahlen zueinander konvergent sind, wie es in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel angedeutet ist. Die Einspritzstrahlen können dann auch so angelegt werden, dass sie sich entweder im Bereich der Brennraumwand oder innerhalb des Brennraums kreuzen.
Die Wanddicke D_s im Konusbereich des Ventilkörpers 1 und die Wanddicke D_k im Kuppenbereich des Sacklochs 9 können gleich oder unterschiedlich stark sein. Entsprechend ist auch die Länge der Einspritzöffnungen verschieden und damit die Eindringtiefe der Kraftstoffstrahlen in den Brennraum. Durch die unterschied lichen Längen der äußeren Einspritzöffnungen 17 im Konusbereich 18 und der inneren Einspritzöffnungen 27 im Kuppenbereich 22 lassen sich die unterschiedlichen Druck- und Einlaufverhältnisse in Ventilsitz 11 und Sackloch 9 kompensieren, so dass eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung im Brennraum gut erreicht werden kann.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem eine Bohrung (3) mit einer Längsachse (8) ausgebildet ist, die an einem Ende von einem Ventilsitz (11) begrenzt wird, und mit einer Ventilnadel (5), die längsverschiebbar in der Bohrung (3) angeordnet ist und die mit dem Ventilsitz (11) so zusammenwirkt, dass durch die Längsbewegung der Ventilnadel (5) ein Durchflussquerschnitt aus einem Druckraum (19) auf- und zugesteuert werden kann, wobei der Ventilsitz (11) und die Außenwand des Ventilkörpers (1) konisch ausgebildet und zueinander parallel sind, so dass ein Konusbereich (18) mit einer konstanten Wanddicke (D_s) gebildet wird, in welchem Konusbereich (18) wenigstens eine äußere Einspritzöffnung (17) ausgebildet ist, und mit einem Sackloch (9), das sich der Ventilnadel (5) abgewandt an den konischen Ventilsitz (11) anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Sackloch (9) an dem der Ventilnadel (5) abgewandten Ende einen halbkugelförmigen Kuppenabschnitt (22) aufweist und die Außenwand in diesem Bereich ebenfalls halbkugelförmig ausgebildet ist, so dass der Kuppenbereich (22) eine konstante Wanddicke (D_k) aufweist, wobei im Kuppenbereich (22) wenigstens eine innere Einspritzöffnung (27) ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im konischen Ventilsitz (11) mehrere äußere Einspritzöffnungen (17) über den Umfang des Ventilkörpers (1) verteilt angeordnet sind.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Einspritzöffnungen (17) im konischen Ventilsitz (11) bezüglich der Längsachse (8) der Bohrung (3) eine unterschiedliche Neigung aufweisen.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kuppenbereich (22) des Sacklochs (9) mehrere innere Einspritzöffnungen (27) ausgebildet sind, die über den Umfang des Ventilkörpers (1) verteilt angeordnet sind.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Einspritzöffnungen (27) im Kuppenbereich (22) bezüglich der Längsachse (8) der Bohrung (3) eine unterschiedliche Neigung aufweisen.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine äußere Einspritzöffnung (17) des Konusbereichs (18) und eine innere Einspritzöffnung (27) des Kuppenbereichs (22) so zueinander ausgerichtet sind, dass sich deren Einspritzstrahlen kreuzen.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ventilnadel (5) eine Dichtkante (12) ausgebildet ist, mit der die Ventilnadel (5) in ihrer Schließstellung auf dem konischen Ventilsitz (11) aufliegt, wobei der Auflagebereich stromaufwärts aller Einspritzöffnungen (17; 27) liegt.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (19) zwischen der Ventilnadel (5) und der Wandung der Bohrung (5) ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke (D_s) des Konusbereichs (18) verschieden von der Wanddicke (D_k) des Kuppenbereichs (22) ist.