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Die
Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
aus, welches Kraftstoff unter hohem Druck direkt in den Brennraum der
entsprechenden Brennkraftmaschine einspritzt. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil
ist bspw. aus der Offenlegungsschrift
DE 100 24 703 A1 bekannt.
Das Kraftstoffeinspritzventil weist hierzu einen Ventilkörper und
eine darin angeordnete, kolbenförmige
Ventilnadel auf, die längsverschiebbar
angeordnet ist und durch ihre Längsbewegung
den Kraftstoffstrom zu wenigstens einer Einspritzöffnung steuert.
Hierzu wirkt die Ventilnadel mit ihrem den Einspritzöffnungen
zugewandeten Ende mit einem Ventilsitz zusammen, der im Ventilkörper ausgebildet
ist. Je nach Stellung der Ventilnadel kann so Kraftstoff unter hohem
Druck durch die Einspritzöffnungen
in den Brennraum gelangen oder die Ventilnadel blockiert diesen
Kraftstofffluss, indem sie auf dem Ventilsitz aufsitzt.
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Die
Längsbewegung
der Ventilnadel wird durch hydraulische Kräfte gesteuert, wobei einerseits der
Kraftstoffdruck in einem Druckraum, der die Ventilnadel umgibt.
und andererseits der Kraftstoffdruck in einem Steuerraum. der die
ventilsitzabgewandte Stirnseite der Ventilnadel beaufschlagt, zur
Steuerung verwendet werden. Der Steuerraum wird außer von
der Stirnseite der Ventilnadel von einer Hülse begrenzt, die das ventilsitzabgewandte
Ende der Ventilnadel umgibt und so den Steuerraum nach außen hydraulisch
abdichtet. Der Druck im Steuerraum wird üblicherweise über ein
Steuerventil eingestellt, sodass eine wechselnde Schließkraft auf
die Ventilnadel durch den Druck im Steuerraum ausgeübt werden kann.
Dieser Schließkraft
wirkt die hydraulische Kraft entgegen, die durch die Druckbeaufschlagung
der Ventilnadel im Druckraum erzeugt wird. Durch Änderung
des Drucks im Steuerraum lässt
sich so eine Längsbewegung
der Ventilnadel erreichen, da im Druckraum stets ein vorgegebenes
hohes Kraftstoffdruckniveau vorgehalten wird.
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Bei
dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil kann es durch die kolbenförmige Form
der Ventilnadel vorkommen, dass die auf die Ventilnadel wirkenden
hydraulischen Kräfte
die Ventilnadel in Drehung versetzen, sodass sie sich langsam um
ihre Längsachse
dreht. Unterstützt
wird dies gegebenenfalls dadurch, dass sich die Ventilnadel an der
Hülse durch eine
Schraubendruckfeder abstützt,
deren Enden sich bei Kompression etwas gegeneinander verdrehen.
Dies führt
zu einer Tangentialkraft auf die Ventilnadel und so zu einer langsamen
Drehbewegung der Ventilnadel um ihre Längsachse.
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Versuche
an Kraftstoffeinspritzventilen haben gezeigt, dass durch die Rotation
der Ventilnadel ein erhöhter
Verschleiß im
Bereich des Ventilsitzes zu erwarten ist, also an der Stelle, an
der die Ventilnadel auf dem Ventilsitz aufsitzt. Um dieses Problem zu
mildern, sind im Stand der Technik verschiedene Maßnahmen
vorgeschlagen worden. So zeigt die Österreichische Patentschrift
Nr. 229 086 ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer längsbeweglichen
Ventilnadel, wobei verschiedene Maßnahme vorgeschlagen werden,
die Ventilnadel gegen Rotation zu sichern. Bspw. wird ein Stift
in eine Querbohrung der Ventilnadel eingeführt, wobei der Stift an einer
Seite übersteht
und in entsprechende Ausnehmung im Ventilkörper eingreift.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE 21
21 615 ist darüber
hinaus bekannt, die Ventilnadel gegen Rotation durch eine Kugel
zu sichern, die in eine entsprechende Nut in der Ventilnadel hineinragt.
Die Kugel wird hierbei durch eine Querbohrung im Ventilkörper eingeführt und
durch eine Schraube gesichert.
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Allen
bekannten Vorschlägen
ist jedoch gemein, dass es durch Ausnehmungen im Ventilkörper lokal
zu einer Schwächung
kommt. Dies führt
insbesondere bei den heute üblichen
sehr hohen Drücken zu
einer mechanischen Schwachstelle und stellt damit eine potentielle
Gefahr für
die Entstehung von Rissen dar.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass der Verschleiß im
Bereich des Ventilsitzes gegenüber üblichen
Einspritzventilen reduziert ist. Hierzu wird die Ventilnadel gegen
Längsdrehung
um ihre Achse gesichert, indem die Ventilnadel mit einem Halteelement
geführt
ist und das Halteelement in eine Ausnehmung in der Hülse so eingreift,
dass eine Drehung der Ventilnadel um ihre Längsachse bzgl. der Hülse blockiert
ist. Bei den üblichen
Druckverhältnissen
im Kraftstoffeinspritzventil wird die Hülse mit einer ausreichenden
Kraft gegen einen Haltekörper oder
eine Drosselscheibe gedrückt,
sodass hierdurch eine Rotation der Hülse relativ zum Ventilkörper ausgeschlossen
ist. Dadurch kann die Ventilnadel sicher an der Hülse verankert
werden, sodass mit sehr geringem Aufwand eine Blockade der Drehung
erreicht wird.
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Durch
die abhängigen
Ansprüche
sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung
möglich.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist das Halteelement
als Stift ausgebildet, der in einer Querbohrung der Ventilnadel
angeordnet ist. Der Stift steht zumindest an einem Ende über die Mantelfläche der
Ventilnadel über
und greift dabei in die Ausnehmung an der Hülse ein, sodass eine Drehblockierung
der Ventilnadel bzgl. der Hülse
gegeben ist. Dieser Aufbau ist recht einfach und erlaubt es, Hülse und
Ventilnadel bereits vor der Einführung
in den Ventilkörper
zu montieren.
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Neben
dem Stift als Halteelement sind auch andere Halteelemente denkbar.
So kann ein Halteelement durch eine Anformung an der Mantelfläche der
Ventilnadel gebildet werden, wobei die Anformung in die Ausnehmung
der Hülse
entsprechend hineinragt. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine
halbkugelförmige
Anformung, da hier eine große
Fläche zur
Befestigung, bspw. durch eine Schweißverbindung und durch die abgerundete
Oberfläche
wenig Kerbspannungen auftreten. Hierbei kann es auch vorgesehen
sein, dass die Anformung in der Ventilnadel einstückig ausgebildet
sind, sodass eine Verbindung zwischen der Anformung und der Ventilnadel entfällt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Halteelement
in der Hülse
geführt
und greift in eine Ausnehmung der Ventilnadel ein, sodass eine Drehung
der Ventilnadel um ihre Längsachse
bzgl. der Hülse
blockiert ist. Vorteilhaft ist hierbei die Ausgestaltung, bei der
das Halteelement als Stift ausgebildet ist, der in einer Querbohrung
der Hülse
angeordnet ist und durch eine entsprechende Ausnehmung der Ventilnadel
hindurch ragt. Die Ausnehmung der Ventilnadel ist vorzugsweise als
Langloch ausgebildet, wobei die Längserstreckung des langlochförmigen Querschnitts
in Längsachse
der Ventilnadel reicht und so groß ist, dass die Längsbewegung
der Ventilnadel dadurch nicht behindert wird.
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Zeichnungen
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In
der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt. Es zeigt
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1 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
des mit II bezeichneten Ausschnitts von 1, wobei
in
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2a ein
Querschnitt des Kraftstoffeinspritzventils entlang der Linie A-A
gezeigt ist,
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3 in
der selben Darstellung wie 2 ein weiteres
Ausführungsbeispiel,
wobei
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3a einen
Querschnitt entlang der Linie B-B der 3 zeigt,
und
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4 in
derselben Darstellung wie 2 ein weiteres
Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt, wobei hier nur die wesentlichen Komponenten dargestellt sind,
die für
die Funktion erheblich sind. Das Kraftstoffeinspritzventil weist
einen Ventilkörper 1 auf,
in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist, die an ihrem in Einbaulage
dem Brennraum zugewandten Ende von einem konischen Ventilsitz 9 begrenzt
wird. Im Bereich des Ventilsitzes 9 sind mehrere Einspritzöffnungen 11 ausgebildet,
durch die Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzbar
ist. In der Bohrung 3 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar
angeordnet, die eine Längsachse 8 aufweist
und die in einem mittleren Führungsabschnitt 103 der
Bohrung 3 geführt
ist. Zwischen der Ventilnadel 5 und der Wand der Bohrung 3 ist
ein Druckraum 4 ausgebildet, wobei die Ventilnadel 5 im
Bereich des Führungsabschnitts 103 mehrere
Anschlüsse 6 aufweist,
durch die ein Kraftstoffstrom durch den Druckraum 4 in
Richtung der Einspritzöffnungen 11 ermöglicht wird.
Die Ventilnadel 5 weist an ihrem ventilsitzseitigen Ende
eine Ventildichtfläche 13 auf,
mit der sie mit dem Ventilsitz 9 zur Steuerung des Kraftstoffstroms
zu den Einspritzöffnungen 11 zusammenwirkt.
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Ventilsitzabgewandt
zum Führungsabschnitt 103 erweitert
sich der Druckraum 4 in einen Federraum 7, in
dem eine Schließfeder 15 angeordnet
ist, die die Ventilnadel 5 umgibt und die unter Druckvorspannung
zwischen einem Stützring 17 und
einer Hülse 20 angeordnet
ist. Der Stützring 17 stützt sich seinerseits
an einer Schulter der Ventilnadel 5 auf, während die
Hülse 20 die
Ventilnadel 5 an ihrem ventilsitzabgewandten Ende umgibt
und durch die Schließfeder 15 gegen
eine Drosselscheibe oder einen Haltekörper, die in der Zeichnung
nicht dargestellt sind, gedrückt
wird. Die ventilsitzabgewandte Stirnseite 105 der Ventilnadel 5 und
die Hülse 20 begrenzen
einen Steuerraum 22, der mit Kraftstoff gefüllt ist
und der durch ein in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestelltes
Steuerventil mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt oder
entlastet werden kann. Die Hülse 20 ist
im wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildet und umgibt die Ventilnadel 5 mit
so geringem Spiel, dass eine ausreichende Abdichtung zwischen dem
Druckraum 4 und dem Steuerraum 22 gegeben ist.
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Die
Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt: Durch
eine in der Zeichnung nicht dargestellte Hochdruckpumpe wird im
Druckraum 4 ständig
Kraftstoff unter hohem Druck bereitgestellt. Der Kraftstoff wird
von der ventilsitzabgewandten Stirnfläche in den Federraum 7 eingefüllt und
fließt durch
den Druckraum 4 bis zu den Einspritzöffnungen 11. Durch
den Druck im Druckraum 4 ergibt sich eine hydraulische Öffnungskraft
auf die Ventilnadel 5, die vom Ventilsitz 9 weggerichtet
ist und der eine Schließkraft
entgegengerichtet ist, die einerseits durch die Schließfeder 15 und
andererseits durch den hydraulischen Druck im Steuerraum 22 erzeugt wird. Überwiegt
die Schließkraft
gegenüber
der Öffnungskraft,
so wird die Ventilnadel 5 in Anlage an den Ventilsitz 9 gedrückt und
schließt
die Einspritzöffnungen 11 gegenüber dem
Druckraum 4 ab. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird
der Druck im Steuerraum 22 gemindert und die hydraulische Öffnungskraft
drückt
die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 weg, sodass
nunmehr Kraftstoff zwischen der Ventildichtfläche 13 und dem Ventilsitz 9 hindurch
zu den Einspritzöffnungen 11 strömt und durch
diese in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
des mit II bezeichneten Bereichs von 1. Um eine
Rotation der Ventilnadel 5 um ihre Längsachse 8 zu verhindern,
ist in der Ventilnadel 5 eine Querbohrung 23 vorgesehen,
in der ein Halteelement in Form eines Stiftes 25 eingeführt ist.
Der Stift 25 hat hierbei kein oder nur sehr geringes Spiel
in der Querbohrung 23 und weist eine solche Länge auf,
dass er beidseitig über
die Mantelfläche
der Ventilnadel 5 heraus in jeweils eine Ausnehmung 24 ragt,
die an der Innenseite der Hülse 20 ausgebildet
sind. Die Ausnehmungen 24 weisen jeweils die Form einer
kleinen Nut auf, die sich in Längsrichtung
der Hülse 20 soweit
erstreckt, dass die Längsbewegung
der Ventilnadel 5 durch den in die Ausnehmungen 24 ragenden
Stift 25 nicht behindert wird. Da die Hülse 20 durch hydraulische Kräfte einerseits
und vor allem durch die Kraft der Schließfeder 15 gegen die
in der Zeichnung nicht dargestellte Drosselscheibe gedrückt wird,
ist eine Drehung der Hülse 20 um
ihre Längsachse 8 ausgeschlossen.
Durch den Stift 25, der in die Ausnehmung 24 hineinragt,
wird eine Längsdrehung
der Ventilnadel 5 bzgl. der Hülse 20 verhindert,
sodass sich sowohl die Hülse 20 als
auch die Ventilnadel 5 nicht bzgl. des Ventilkörpers 1 drehen
können. 2a zeigt
hierzu noch einen Querschnitt durch das Kraftstoffeinspritzventil
entlang der Linie A-A. Der Stift 25 hat in den Ausnehmungen 24 nur
ein geringes tangentiales Spiel, das zwar eine ungestörte Längsbewegung
der Ventilnadel 5 ermöglicht,
aber eine Rotation um die Längsachse 8 sicher
verhindert.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
in der selben Darstellung wie 2 dargestellt.
Das Haltelement weist hier ebenfalls die Form eines Stiftes 25 auf,
der hier jedoch in einer Querbohrung 27 in der Hülse 20 geführt ist.
In der Ventilnadel 5 ist eine Ausnehmung 29 ausgebildet,
die beispielsweise die Form eines Langlochs aufweist, wobei die
axiale Ausdehnung der Ausnehmung 29 so groß ist, dass eine
Längsbewegung
der Ventilnadel 5 nicht behindert wird. Analog zu 2a zeigt 3a einen
Querschnitt durch das Kraftstoffeinspritzventil der 3 entlang
der Linie B-B. Der Stift 25 ist nur mit geringem Spiel
in der Querbohrung 27 geführt, so dass sich der Stift 25 bezüglich der
Hülse 20 bei
der Längsbewegung
der Ventilnadel 5 nicht bewegt.
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Statt
des Stiftes 25 kann es auch vorgesehen sein, eine Anformung
an die Außenmantelfläche der Ventilnadel 5 anzubringen.
Hierzu zeigt 4 in derselben Darstellung wie 2 ein
Ausführungsbeispiel,
bei dem eine halbkugelförmige
Anformung 30 an der Ventilnadel 5 angebracht ist,
beispielsweise durch eine Schweißverbindung. Die Anformung 30 ragt
in die Ausnehmung 24 der Hülse 20 hinein und verhindert
ebenso wie der Stift 25 eine Längsdrehung der Ventilnadel 5.
Auf der linken Seite der 4 ist die Anformung 30 durch
eine Halbkugel gebildet, die an der Ventilnadel 5 beispielsweise
durch eine Schweißverbindung
befestigt ist. Die rechte Seite der 4 zeigt
eine Anformung 30, die einstückig mit der Ventilnadel 5 ausgeführt ist,
was einerseits aufwendiger in der Herstellung ist, aber andererseits
den Vorteil aufweist, dass eine Schweißverbindung oder eine andere
Verbindung zur Befestigung einer Anformung an der Ventilnadel 5 entfällt.
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Das
gesamte Gehäuse
des Kraftstoffeinspritzventils umfasst neben dem Ventilkörper 1 auch noch
weitere Teile, insbesondere einen Haltekörper und gegebenenfalls eine
oder mehrere Zwischenscheiben, die zwischen dem Ventilkörper 1 und
dem Haltekörper
angeordnet sind. Der Ventilkörper 1 wird dabei
meist durch eine den Ventilkörper 1 teilweise umgebende
Spannmutter gegen den Haltekörper verspannt,
so dass ein stabiler und nach außen dichter Verbund gegeben
ist. Es kann dann auch vorgesehen sein, dass die Hülse 20 nicht
als separates Bauteil gefertigt ist: In 4 ist eine
Zwischenscheibe 10 dargestellt, in der eine Zulaufdrossel 18 ausgebildet
ist, die das Befüllen
des Steuerraums 22 erlaubt. Die Zwischenscheibe 10 ist
in diesem Fall einstückig
mit der Hülse 20 ausgebildet.
so dass beide Bauteile eine Einheit bilden. Einerseits ist eine
solches Bauteil deutlich aufwendiger herzustellen als die separate
Fertigung der Hülse 20 und
der Zwischenscheibe 10, andererseits ist hierdurch in jedem Fall
sichergestellt, dass sich die Hülse 20 gegenüber dem
Ventilkörper 1 nicht
dreht oder eine andere Bewegung ausführt.