DE10023322A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brenkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil mit einem Ventilkörper (1), in dem in einer Bohrung (12) ein kolbenförmiges Ventilglied (10) entgegen einer Schließkraft längsverschiebbar angeordnet ist. Am brennraumseitigen Ende des Ventilglieds (10) ist eine Ventildichtfläche (15) ausgebildet, die mit einem Ventilsitz (17) zur Steuerung wenigstens einer Einspritzöffnung (19) zusammenwirkt. Das Ventilglied (10) ist in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung (12) geführt und verjüngt sich zum Brennraum hin unter Bildung einer Druckschulter (11), die mit Kraftstoff beaufschlagt ist. Die Längsbewegung des Ventilglieds (10) wird durch die hydraulische Kraft auf die Druckschulter (11) gesteuert, welche hydraulische Kraft entgegen der Schließkraft gerichtet ist. Die Schließkraft wird durch wenigstens einen Faltenbalg (35; 37) erzeugt, der in einem im Ventilhaltekörper (7) ausgebildeten Federraum (45) unter Vorspannung angeordnet ist. Der Faltenbalg (35; 37) weist dabei keinen Verschleiß auf, so daß der Öffnungsdruck des Kraftstoffeinspritzventils während des gesamten Betriebs konstant bleibt (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Ein derartiges Kraft­ stoffeinspritzventil ist beispielsweise aus der Schrift DE 44 40 182 A1 bekannt. Bei einem solchen Kraftstoffein­ spritzventil ist in einem Ventilkörper eine Bohrung ausge­ bildet, in der ein längsverschiebbares Ventilglied angeord­ net ist. Das Ventilglied steuert durch seine Längsbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung, über die Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Am Ventilglied ist eine Druckfläche ausgebildet, die mit Kraftstoff unter hohem Druck beaufschlagt werden kann, wo­ durch sich eine Kraft in Längsrichtung auf das Ventilglied ergibt. Bei Erreichen eines bestimmten Kraftstoffdrucks, der als Öffnungsdruck bezeichnet wird, wird das Ventilglied ent­ gegen einer Schließkraft in Längsrichtung bewegt und gibt dadurch die wenigstens eine Einspritzöffnung frei.

Die Schließkraft wird bei dem bekannten Kraftstoffeinspritz­ ventil durch eine oder mehrere Federn erzeugt, die meist als Spiraldruckfedern ausgebildet sind. Diese sind unter Vor­ spannung im Ventilkörper angeordnet und wirken mittelbar oder unmittelbar auf das Ventilglied. Die Schraubendruckfe­ dern weisen dabei den Nachteil auf, daß es durch die Reibung der Windungen untereinander, insbesondere an den Enden der Feder, zu einem Verschleiß kommt, so daß sich die Vorspan­ nung der Feder im Betrieb reduziert. Dadurch erniedrigt sich der Öffnungsdruck des Kraftstoffeinspritzventils, so daß es nicht mehr den Vorgaben entsprechend arbeitet. Weiter weisen die Spiraldruckfedern den Nachteil auf, daß sich die Enden der Federn beim Zusammenpressen leicht gegeneinander verdre­ hen. Dies führt zu weiterem Verschleiß an Feder und Feder­ auflage und damit zu einer Abnahme der Feder-Vorspannung und zu einem Absinken des Öffnungsdrucks des Kraftstoffein­ spritzventils.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Schließkraft durch ein längselastisches hülsenförmiges Element erzeugt wird, das keinen Verschleiß aufweist und somit einen konstanten Öffnungsdruck des Kraft­ stoffeinspritzventils gewährleistet. Das hülsenförmige Ele­ ment ist in vorteilhafter Weise als Faltenbalg ausgebildet, der rotationssymmetrisch ausgeführt ist und somit eine gleichmäßige Anlagekraft aufweist. Durch eine Variation der Wandstärke des Materials und des Falzwinkels können ver­ schiedenste Federkonstanten erreicht werden, um den Falten­ balg an die Erfordernisse des jeweiligen Kraftstoffein­ spritzventils anzupassen. Hierbei ist es möglich, den Fal­ tenbalg mit den bisher bekannten Ventilhaltekörpern zu ver­ wenden, so daß bis auf den Austausch der Spiralfeder durch den Faltenbalg keine weiteren baulichen Veränderungen am Kraftstoffeinspritzventil vorgenommen werden müssen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung sind die über den Umfang des Faltenbalgs verlau­ fenden Kanten, die am Übergang von einer Flanke zur nächsten entstehen, gerundet ausgebildet. Hierdurch werden Kerbspan­ nungen an den Kanten vermindert, wodurch sich eine höhere Lebensdauer und eine höhere Belastbarkeit des Faltenbalgs ergibt.

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

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoff­ einspritzventil gezeigt, in Fig. 2 eine vergrößerte Dar­ stellung eines erfindungsgemäßen Faltenbalgs im Längsschnitt und in Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Faltenbalgs im Längsschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsge­ mäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Ein Ventilkör­ per 1 ist unter Zwischenlage einer Zwischenscheibe 3 mittels einer Spannmutter 5 gegen einen Ventilhaltekörper 7 in axia­ ler Richtung verspannt. Das Kraftstoffeinspritzventil ist dabei in einer in der Zeichnung nicht dargestellten Brenn­ kraftmaschine angeordnet, wobei das freie Ende des Ventil­ körpers 1 bis in einen Brennraum der Brennkraftmaschine ragt. Im Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 12 ausgebildet, in der ein kolbenförmiges Ventilglied 10 längsverschiebbar an­ geordnet ist, wobei das Ventilglied 10 in einem brennraumab­ gewandten Abschnitt in der Bohrung 12 dichtend geführt ist. Das Ventilglied 10 verjüngt sich dem Brennraum zu unter Bil­ dung einer Druckschulter 11 und geht an seinem Ende in eine Ventildichtfläche 15 über. Am brennraumseitigen Ende der Bohrung 12 ist ein Ventilsitz 17 ausgebildet, in dem wenig­ stens eine Einspritzöffnung 19 ausgebildet ist und welcher Ventilsitz 17 mit der Ventildichtfläche 15 zusammenwirkt. Durch eine Längsbewegung des Ventilgliedes 10 vom Brennraum weg hebt die Ventildichtfläche 15 vom Ventilsitz 17 ab und verbindet so die Einspritzöffnung 19 mit der Bohrung 12.

Die Druckschulter 11 ist in einem Druckraum 21 angeordnet, der durch eine radiale Erweiterung der Bohrung 12 im Ventil­ körper 1 ausgebildet ist. Der Druckraum 21 setzt sich als ein das Ventilglied 10 umgebender Ringkanal bis zum Ventil­ sitz 17 fort und ist über einen im Ventilkörper 1 ausgebil­ deten Zulaufkanal 23, der durch die Zwischenscheibe 3 und den Ventilhaltekörper 7 verläuft, mit einem Hochdruckan­ schluß 28 verbunden. Der Hochdruckanschluß 28 ist mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Kraftstoffhochdruck­ quelle verbunden, so daß der Druckraum 21 mit Kraftstoff un­ ter hohem Druck befüllt werden kann.

Das Ventilglied 10 geht brennraumabgewandt in einen Druck­ stift 30 über, der einen kleineren Durchmesser aufweist als der geführte Abschnitt des Ventilgliedes 10 und der bis in einen im Ventilhaltekörper 7 ausgebildeten Federraum 45 ragt. Es kann - abweichend von dem in der Zeichnung gezeig­ ten Ausführungsbeispiel - auch vorgesehen sein, daß der Druckstift 30 den gleichen Durchmesser aufweist wie das Ven­ tilglied 10. Der Druckstift 30 ist an seinem Ende mit einem Federteller 32 verbunden, zwischen dem und - unter Zwischen­ lage einer Ausgleichsscheibe 39 - dem brennraumabgewandten Ende des Federraums 45 ein längselastisches, hülsenförmiges Element angeordnet ist, das insbesondere als erster Falten­ balg 35 ausgebildet ist. Der Druckstift 30 wird durch einen Federanschlag 33 geführt, der als zylinderförmiges Element ausgebildet ist, das den Druckstift 30 umgibt und das etwa in der Mitte des Federraums 45 ortsfest angeordnet ist. Der Federanschlag 33 unterteilt so den Federraum 45 in einen er­ sten Federraum 145, in dem sich der erste Faltenbalg 35 be­ findet, und in einen zweiten Federraum 245, der zwischen dem Federanschlag 33 und der Zwischenscheibe 3 ausgebildet ist.

In der Zwischenscheibe 3 ist eine Anschlaghülse 25 angeord­ net, die den Druckstift 30 umgibt und bis in den zweiten Fe­ derraum 245 ragt. Dort geht die Anschlaghülse 25 in eine Ausgleichsscheibe 27 über, zwischen der und dem Federan­ schlag 33 ein längselastisches, hülsenförmiges Element ins­ besondere in Form eines zweiten Faltenbalgs 37 unter Vor­ spannung angeordnet ist, wobei der zweite Faltenbalg 37 den Druckstift 30 umgibt. Am Übergang des Ventilgliedes 10 zum Druckstift 30 ist eine Anschlagschulter 13 ausgebildet, die bei der Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 10 vom Brenn­ raum weg an der Anschlaghülse 25 zur Anlage kommt.

Der Federraum 45 ist über einen Ablaufkanal 41 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Leckölsystem verbunden. Das Innere des ersten Faltenbalgs 35 ist dabei mit dem Fe­ derraum 45 beispielsweise über radial verlaufende Nuten im Federteller 32 verbunden, so daß ein Kraftstofffluß aus dem Federraum 45 in den Ablaufkanal 41 ermöglicht wird.

Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung wird das Ventilglied 10 durch die Kraft des ersten Faltenbalgs 35, der über den Druckstift 30 mittelbar auf das Ventilglied 10 wirkt, mit der Ventildichtfläche 15 gegen den Ventilsitz 17 gepreßt. Hierdurch wird die wenigstens eine Einspritzöffnung 19 ver­ schlossen, und es kann kein Kraftstoff aus dem Druckraum 21 in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangen. Wird nun Kraftstoff über den Zulaufkanal 23 in den Druckraum 21 ein­ geführt, erhöht sich dort der Kraftstoffdruck, bis die hy­ draulische Kraft auf die Druckschulter 11 größer ist als die Kraft des ersten Faltenbalgs 35. Das Ventilglied 10 bewegt sich in Längsrichtung vom Brennraum weg, wodurch die Ventil­ dichtfläche 15 vom Ventilsitz 17 abhebt und den Druckraum 21 mit der Einspritzöffnung 19 verbindet. Die Hubbewegung des Ventilglieds 10 wird solange fortgesetzt, bis dessen An­ schlagschulter 13 an der Anschlaghülse 25 zur Anlage kommt. Da im Druckraum 21 zu diesem Zeitpunkt ein noch relativ ge­ ringer Kraftstoffdruck herrscht und das Ventilglied 10 nur einen Teil seiner gesamten Öffnungshubbewegung durchfahren hat, findet nur eine gedrosselte Voreinspritzung von Kraft­ stoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine statt. Da das Ventilglied 10 über die Anschlaghülse 25 nun auch mit dem zweiten Faltenbalg 37 verbunden ist, ist eine weitere Fort­ setzung der Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 10 von diesem Zeitpunkt an nur gegen die Kraft der beiden Falten­ bälge 35 und 37 möglich. Dazu muß erst im Druckraum 21 durch den über den Zulaufkanal 23 nachströmenden Kraftstoff ein höheres Kraftstoffdruckniveau aufgebaut werden, so daß das Ventilglied 10 in der Voreinspritzstellung eine gewisse Zeit verharrt. Übersteigt schließlich die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 11 die Kraft der beiden Faltenbälge 35 und 37, so setzt das Ventilglied 10 seine Öffnungshubbewegung fort, bis die Anschlaghülse 25 an einer in der Zwischen­ scheibe 3 ausgebildeten Anschlagfläche zur Anlage kommt und die Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 10 beendet. In dieser Position des Ventilgliedes 10 findet die Hauptein­ spritzung des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftma­ schine statt. Das Ende der Einspritzung wird dadurch initi­ iert, daß die Kraftstoffzufuhr durch den Druckkanal 23 in den Druckraum 21 unterbrochen wird. Hierdurch sinkt der Kraftstoffdruck im Druckraum 21 ab und das Ventilglied 10 wird durch die Kraft des ersten Faltenbalgs 35 und des zwei­ ten Faltenbalgs 37 in Richtung auf den Ventilsitz 17 ge­ drückt, bis die Ventildichtfläche 15 am Ventilsitz 17 zur Anlage kommt und die wenigstens eine Einspritzöffnung 19 verschließt.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Faltenbalg vergrößert im Längsschnitt dargestellt. Der Faltenbalg 35 weist eine Längsachse 40 auf und ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Faltenbalg 35 besteht aus einzelnen kegelstumpfförmigen Elementen, die mit ihren Rändern in abwechselnder Orientie­ rung aneinander grenzen. Jeweils zwei benachbarte kegel­ stumpfförmige Elemente bilden ein Faltsegment, das eine Falzhöhe H aufweist. Weiter wird der Faltenbalg 35 durch geometrische Abmessungen, wie die Wandstärke a, den Innen­ durchmesser d, den Außendurchmesser D und den Falzwinkel α, charakterisiert, wobei der Falzwinkel α dem von zwei kegel­ stumpfförmigen Elementen eingeschlossenen Winkel entspricht. Über die Änderung des Materials und der geometrischen Abmes­ sungen des Faltenbalgs läßt sich die Längselastizität, die der Federkonstanten bei den bekannten Schraubendruckfedern entspricht, in weiten Bereichen variieren. Als Material zur Herstellung des Faltenbalgs ist vor allem Metall geeignet, vorzugsweise Federstahl.

In Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Faltenbalgs gezeigt. Der Faltenbalg 35 weist wie in Fig. 2 geometrische Abmes­ sungen, wie einen Innendurchmesser d, einen Außendurchmesser D und einen Falzwinkel α auf, jedoch sind hier die radial äußeren und/oder die radial inneren Kanten, die am Übergang der kegelstumpfförmigen Elemente gebildet sind, mit einem Rundungsradius R gerundet, so daß Kerbspannungen am Übergang dieser Elemente vermindert werden. Der Faltenbalg 35 erhält dadurch eine längere Lebensdauer und erreicht eine höhere Verformbarkeit und damit eine höhere Belastbarkeit. Der Run­ dungsradius R kann dabei den Erfordernissen entsprechend an­ gepaßt werden.

Die Herstellung des Faltenbalgs kann mit verschiedenen Ver­ fahren geschehen. Möglich ist die Herstellung durch einen spanenden Prozeß, durch Kaltumformen, durch das Rohraufblas­ verfahren oder durch Sinterverfahren, wie das Metallform­ spritzverfahren.

Für die Funktion des Kraftstoffeinspritzventils ist es nicht erforderlich, daß alle Faltsegmente des Faltenbalgs gleich ausgebildet sind. Wenn es zweckdienlich sein sollte, kann die Falzhöhe der Faltsegmente innerhalb des Faltenbalgs va­ riieren. Ebenso ist es möglich, statt eines einstückigen Faltenbalgs mehrere Faltenbälge mit unterschiedlichen Längs­ elastizitäten aneinanderzureihen.

Neben dem in Fig. 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil kann der erfindungsgemäße Faltenbalg 35, 37 auch in jedem anderen Kraftstoffeinspritzventil verwendet werden, bei dem eine Schließkraft auf ein Ventilglied ausgeübt werden soll.

Claims (7)

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit ei­ nem Ventilkörper (1), in welchem eine Bohrung (12) mit einem darin längsverschiebbar angeordneten Ventilglied (10) ausgebildet ist, wobei das Ventilglied (10) von ei­ nem im Ventilkörper (1) ausgebildeten und mit Kraftstoff befüllbaren Druckraum (21) umgeben ist, der durch eine Längsbewegung des Ventilglieds (10) in einer Öffnungs­ richtung mit wenigstens einer Einspritzöffnung (19) ver­ bindbar ist, die den Druckraum (21) mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet, mit wenigstens einer Druck­ fläche (15), die am Ventilglied (10) ausgebildet ist und vom Kraftstoff im Druckraum (21) beaufschlagt ist, wobei die dabei auf die Druckfläche (21) wirkende hydraulische Kraft eine Komponente in Öffnungsrichtung des Ventil­ glieds (10) aufweist, wobei im Kraftstoffeinspritzventil unter Vorspannung wenigstens ein längselastisches Element (35; 37) angeordnet ist, welches das Ventilglied (10) zu­ mindest mittelbar in Schließrichtung beaufschlagt, da­ durch gekennzeichnet, daß das längselastische Element (35; 37) hülsenförmig ausgebildet ist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das hülsenförmige Element (35; 37) zu­ mindest im wesentlichen auf seinem gesamten Umfang ge­ schlossen ausgebildet ist.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das hülsenförmige Element (35; 37) ro­ tationssymmetrisch ausgebildet ist.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hülsenförmige Element (35; 37) als Faltenbalg ausgebildet ist.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Faltenbalg (35; 37) aus kegel­ stumpfförmigen Elementen besteht, die mit ihren Rändern in abwechselnder Orientierung aneinander grenzen.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die am Übergang der kegelstumpfförmigen Elemente gebildeten Kanten gerundet sind.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die kegelstumpfförmigen Elemente eine unterschiedliche Höhe aufweisen.