EP2183476B1

EP2183476B1 - Kraftstoffeinspritzventil mit verbesserter dichtheit am dichtsitz eines druckausgeglichenen steuerventils

Info

Publication number: EP2183476B1
Application number: EP08774899A
Authority: EP
Inventors: Holger Rapp; Wolfgang Stoecklein; Nadja Eisenmenger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: JP2010534790A; JP5523518B2; WO2009016003A1; CN101784785B; JP5193299B2; RU2485343C2; JP2012211597A; DE102007035698A1; RU2010107374A; CN101784785A; EP2183476A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzventil nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist beispielsweise durch die EP 1 612 403 A1 und die WO 03/004861 A1 bekannt geworden.
Bei diesem bekannten Kraftstoffeinspritzventil werden eine oder mehrere Einspritzöffnungen durch die Längsbewegung einer Düsennadel auf- und zugesteuert. Durch den Druck in einem Steuerraum wird eine Schließkraft mittelbar über einen Ventilkolben auf die Düsennadel ausgeübt, so dass diese, wenn im Steuerraum ein entsprechend hoher Kraftstoffdruck vorhanden ist, in ihrer Schließstellung gehalten wird. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird der Steuerraum mit einem Leckölraum mittels eines als Magnetventil ausgeführten Steuerventils verbunden. Das Steuerventil weist als Steuerventilelement eine Ventilhülse auf, die einen Ringraum nach außen begrenzt, welcher mit dem Steuerraum über eine Ablaufdrossel verbunden ist. Die Ventilhülse wird kräftefrei bzw. druckausgeglichen betrieben, d.h., auf die Ventilhülse wird keine durch den Kraftstoffdruck im Ringraum resultierende Kraft in deren Bewegungsrichtung ausgeübt. Durch eine Schließfeder wird die Ventilhülse gegen einen Ventilsitz gepresst und verschließt dadurch den Ringraum nach außen. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird die Ventilhülse über den Elektromagneten vom Ventilsitz abgehoben, was durch die fehlende hydraulische Kraftkomponente unter Überwindung der relativ kleinen Schließkraft der Schließfeder sehr schnell geschehen kann. Dadurch wird der Steuerraum mit dem Leckölraum verbunden und dadurch druckentlastet.
Die Ventilhülse ist druckausgeglichen, weil der Durchmesser der Führung, in der die Ventilhülse verschiebbar geführt ist, und der Sitzdurchmesser des Ventilsitzes, den die Ventilhülse im Ruhezustand abdichtet, gleich sind. Dadurch entstehen im Ruhezustand keine Druckkräfte in Öffnungs- oder Schließrichtung, sondern lediglich solche in radialer Richtung. Weicht der Sitz- vom Führungsdurchmesser ab, so entstehen dagegen hydraulische Kräfte in axialer Richtung. Sind Führung und Ventilsitz - wie in den meisten Fällen - in einem Bauelement ausgeführt, so kann eine Abweichung des Sitz- vom Führungsdurchmesser jeweils nur derart vorhanden sein, dass hydraulische Kräfte in Öffnungsrichtung entstehen. Im anderen Fall wäre die Ventilhülse nicht mehr in den Ventilkörper fügbar. Damit ist insbesondere der Nachteil verbunden, dass bei einem Flächenangleich im Dichtsitz im Laufe des Betriebs stets nur hydraulische Kräfte in Öffnungsrichtung entstehen können, die im Extremfall zu einem ungewollten Öffnen und damit zu einer Undichtheit des Ventils führen können.
Darüber hinaus sind Konstruktionen bekannt, bei denen die Führung unabhängig vom Ventilsitz in einem zweiten Bauteil ausgeführt ist, welches sich an einem feststehenden Bauteil abstützt. Dies eröffnet zunächst die Möglichkeit, den Sitzdurchmesser auch derart vom Führungsdurchmesser abweichend auszulegen, dass im Ruhestand hydraulische Kräfte in Schließwirkung entstehen. Dies würde bei einem Flächenangleich über Lebensdauer den zulässigen Flächenangleich bis zum Auftreten einer Undichtheit erhöhen und damit auch die Flächenpressung im angeglichenen Zustand senken. Nachteil ist allerdings, dass die hydraulische Schließkraft beim Öffnen des Aktors zusätzlich vom Aktor überwunden werden muss, so dass in diesem Fall ein stärkerer Aktor erforderlich sein wird, was vor allem bei elektromagnetischen Aktoren nachteilig ist.

Offenbarung der Erfindung

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil wirken im Neuzustand keine nennenswerten hydraulischen Kräfte in Axialrichtung auf die Ventilhülse, und dieser kraftausgeglichene Zustand bleibt auch bei einem Flächenangleich zwischen Ventilhülse und Ventilsitz weitgehend erhalten. Dadurch kann bei der Auslegung der Schließfederkraft ein Vorhalt für hydraulische Öffnungskräfte, die im Laufe der Betriebsdauer entstehen, entfallen. In Folge der verringerten Schließfederkraft wird auch der Verschleiß reduziert.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen. Es zeigt:

Fig.1: einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil mit einem Steuerventil und mit schematisch dargestellten Zufuhrkomponenten;
Fig. 2a: eine Detailansicht entsprechend II in Fig. 1. die eine erste Ausführungsvariante des Steuerventils mit einer Doppelkegelkontur an einer Ventilhülse und mit einem Kegelsitz am Ventilsitz zeigt;
Fig. 2b: eine Detailansicht analog zu Fig. 2a, die eine zweite Ausführungsvariante des Steuerventils mit einer Doppelkegelkontur am Ventilsitz und mit einem Kegelsitz an der Ventilhülse zeigt;
Fig. 2c: eine Detailansicht analog zu Fig. 2a, die eine dritte Ausführungsvariante des Steuerventils mit toroidaler Kontur an der Ventilhülse und mit einem Kegelsitz am Ventilsitz zeigt; und
Fig. 3: eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform des Steuerventils mit einer Ventilnadel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil mit den Kraftstoff zuführenden Komponenten schematisch im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst einen mehrteiligen, hier der Einfachheit aber nur einteilig dargestellten Haltekörper 1 und einen Düsenkörper 2, die durch eine Spannmutter 3 gegeneinander gepresst werden. Im Düsenkörper 2 ist eine Düsennadel (Ventilnadel) 4 längsverschiebbar angeordnet, die durch ihre Längsbewegung die Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung 5 steuert. Der Kraftstoff wird den Einspritzöffnungen 5 über einen Druckraum 6 zugeführt, der die Düsennadel 4 umgibt und der über einen Zulaufkanal 7 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Bewegt sich die Düsennadel 4 von den Einspritzöffnungen 5 hinweg und fährt so in ihre Öffnungsposition, wird Kraftstoff aus dem Druckraum 6 über die Einspritzöffnungen 5 in einen in der Zeichnung nicht dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Befindet sich die Düsennadel 4 hingegen in ihrer Schließposition, das heißt in Anlage an einem Ventilsitz, so werden die Einspritzöffnungen 5 durch die Düsennadel 4 verschlossen.
Im Haltekörper 1 ist eine Längsbohrung 8 ausgebildet, die koaxial zur Düsennadel 4 verläuft und in der ein Steuerkolben 9 längsverschiebbar angeordnet ist. Der Steuerkolben 9 liegt über ein Druckstück 10 an der Düsennadel 4 an, so dass er sich synchron mit der Düsennadel 4 in Längsrichtung bewegt. An seinem dem Düsenkörper 2 zugewandten Ende ist der Steuerkolben 9 von einer Feder 11 umgeben, die sich einerseits an einem Absatz im Haltekörper 1 abstützt und andererseits am Druckstück 10, so dass durch die Kraft der Feder 11 das Druckstück 10 in Richtung des Düsenkörpers 2 und damit die Düsennadel 4 in ihre Schließposition gedrückt wird.
Zur Zuführung des Kraftstoffs unter hohem Druck ist eine Hochdruckpumpe 12 vorgesehen, die den Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 13 verdichtet und einem Hochdruckspeicher 14 zuführt, in dem der Kraftstoff unter hohem Druck vorgehalten wird. Über eine Hochdruckleitung 15 und einen Hochdruckanschluss 16, der am Kraftstoffeinspritzventil ausgebildet ist, wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff dem Kraftstoffeinspritzventil zugeführt und in der beschriebenen Weise über die Einspritzöffnungen 5 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
Mit seinem dem Düsenkörper 2 abgewandten Ende begrenzt der Steuerkolben 9 einen Steuerraum 17, der über eine Zulaufbohrung 18, in dem sich eine Zulaufdrossel 19 befindet, mit dem Zulaufkanal 7 verbunden ist. Der Steuerraum 17 ist darüber hinaus über eine Längsbohrung 20, die im Haltekörper 1 und in einem Steuerventilkörper 21 ausgebildet ist, mit einem hochdruckseitigen Ventilraum 22 verbunden, der über ein Steuerventil 23 mit einem niederdruckseitigen Ventilraum (Leckölraum) 24 verbindbar ist. Das Steuerventil 23 dient zur Absenkung des Kraftstoffdrucks im Steuerraum 17 und weist ein Steuerventilelement in Form einer Steuer- oder Ventilhülse 25 auf, die auf einem kolbenförmigen Gehäusebolzen 33 mit Führungsdurchmesser d_F geführt ist. Die Ventilhülse 25 ist hierbei längsbewegbar und liegt in ihrer Schließstellung an einem Ventilsitz 26 mit Sitzdurchmesser ds an, so dass der durch die Ventilhülse 25 radial nach außen begrenzte hochdruckseitige Ventilraum 22 gegen den Leckölraum 24 abgedichtet ist. Die Ventilhülse 25 ist kraftausgeglichen, weil der Führungsdurchmesser d_F und der Sitzdurchmesser d_S gleich sind und daher im Ruhezustand keine Druckkräfte in Öffnungs- oder Schließrichtung auf die Ventilhülse 25 wirken. Die Ventilhülse 25 wird von einer Schließfeder 27 beaufschlagt, die eine Schließkraft auf die Ventilhülse 25 ausübt und so gegen den Ventilsitz 26 drückt. Über einen Elektromagneten 28 kann die Ventilhülse 25 vom Ventilsitz 26 abgehoben werden, so dass der hochdruckseitige Ventilraum 22 und damit über die Längsbohrung 20 auch der Steuerraum 17 mit dem Leckölraum 24 verbunden werden.
Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und soll hier nur kurz angerissen werden. Für eine Einspritzung wird der Elektromagnet 28 bestromt und zieht dadurch die Ventilhülse 25 vom Ventilsitz 26 weg. Dadurch wird der hochdruckseitige Ventilraum 22 mit dem Leckölraum 24 verbunden, in dem stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht. Über die Längsbohrung 20 wird der Steuerraum 17 druckentlastet, so dass die hydraulische Kraft auf den Steuerkolben 9 abgesenkt und die Düsennadel 4, die durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 6 eine Kraft in Öffnungsrichtung erfährt, von ihrem Ventilsitz abhebt und die Einspritzöffnungen 5 freigibt. Zur Beendigung der Einspritzung wird der Elektromagnet 28 wiederum stromlos geschaltet, so dass die Ventilhülse 25, angetrieben durch die Schließfeder 27, zurück in Anlage an den Ventilsitz 26 gleitet. Durch den nachströmenden Kraftstoff über die Zulaufbohrung 18 steigt der Druck im Steuerraum 17 erneut an und damit die hydraulische Kraft auf den Steuerkolben 9, so dass sich dieser schließlich wieder in Richtung Düsenkörper 2 bewegt und dadurch die Düsennadel 4 zurück in ihre Schließstellung drückt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der hochdruckseitige Ventilraum 22 im sitznahen Bereich durch einen inneren Ringvorsprung 29 der Ventilhülse 25 verjüngt. Die Berührlinie der Ventilhülse 25 am Steuerventilkörper 21 wandert jedoch nicht mit nach innen, sondern bleibt bei d_s ≈ d_F. Dadurch bleibt das Steuerventil 23 im Neuzustand praktisch druck- bzw. kraftausgeglichen, da sich die an den beiden Absatzflächen 29a, 29b des Ringabsatzes 29 wirkenden hydraulischen Kräfte aufheben. Mit anderen Worten wirken trotz des Ringabsatzes 29 keine nennenswerten hydraulischen Kräfte in Axialrichtung auf die Ventilhülse 25. Bei einem Flächenangleich zwischen Ventilhülse 25 und Ventilsitz 26 wächst die angeglichene Fläche sowohl radial nach außen als auch radial nach innen. Dadurch bleibt das Steuerventil 23 auch im verschlissenen Zustand weitgehend druckausgeglichen, und die Fläche, auf der ein Angleich zulässig ist, kann vergrößert und die für den Verschleiß maßgebliche Flächenpressung im Ventilsitz 26 erheblich gesenkt werden. Bei der in Fig. 2a gezeigten Ausführungsvariante ist der Ventilsitz 26 durch eine Kegelfläche mit einem Kegelwinkel α_k gebildet. Die Ventilhülse 25 weist eine Dichtkante 30 auf, die durch eine niederdruckseitige Kegelfläche 30a mit Kegelwinkel α_V1 (α_V1 > α_K) und durch eine hochdruckseitige Kegelfläche 30b, also die Absatzfläche 29b des Ringvorsprungs 29, mit Kegelwinkel α_V2 (α_V2 < α_K) gebildet ist. Mit anderen Worten entsteht an der Verschneidung der beiden Kegelflächen 30a, 30b die Dichtkante 30 am Durchmesser d_s. Aufgrund der Kegelkontur am Ventilsitz 26 und der Doppelkegelkontur an der Ventilhülse 25 erfolgt ein Flächenangleich nun ausgehend von der Dichtkante 30 in gleicher Weise radial nach innen und nach außen. Die Begrenzung des Flächenangleichs nach außen erfolgt durch den Außendurchmesser d_a des Steuerventilkörpers 21 und nach innen durch den Innendurchmesser d_i der Ventilhülse 25. Alternativ kann die Begrenzung des Flächenangleichs nach außen auf den Durchmesser d_a auch durch eine Sitzbegrenzungskante mit Durchmesser d_a an der Ventilhülse 25 erfolgen. Die Sitzbegrenzung zwischen d_i und d_a hat die Aufgabe, die bei geringen Hüben auftretenden Sitzkräfte und damit auch deren Streuung von Exemplar zu Exemplar klein zu halten.
Bei der in Fig. 2b gezeigten Ausführungsvariante ist die Dichtfläche und somit auch die Absatzfläche 29b der Ventilhülse 30 durch eine Kegelfläche mit einem Kegelwinkel α_V gebildet. Der Ventilsitz 26 weist eine Sitzkante 31 auf, die durch eine niederdruckseitige Kegelfläche 26a mit Kegelwinkel α_K1 (α_K1 < α_V) und eine hochdruckseitige Kegelfläche 26b mit Kegelwinkel α_K2 (α_K2 > α_V) gebildet ist. Mit anderen Worten entsteht an der Verschneidung der beiden Kegelflächen 26a, 26b die Sitzkante 31 am Durchmesser d_s. Aufgrund der Doppelkegelkontur am Ventilsitz 26 und der Kegelkontur an der Ventilhülse 25 erfolgt ein Flächenangleich nun ausgehend von der Sitzkante 31 in gleicher Weise radial nach innen und nach außen. Die Begrenzung des Flächenangleichs nach außen erfolgt durch den Außendurchmesser d_a des Steuerventilkörpers 21 und nach innen durch den Innendurchmesser d_i der Ventilhülse 25.
Bei der in Fig. 2c gezeigten Ausführungsvariante ist der Ventilsitz 26 durch eine Kegelfläche mit einem Kegelwinkel α_K gebildet. Die Dichtfläche und damit auch die Absatzfläche 29b der Ventilhülse 25 ist als ringförmiger Torus (Radius R) ausgebildet, wodurch an demjenigen Durchmesser d_s, an dem die Tangente an den Torus ebenfalls den Kegelwinkel α_K aufweist, eine Sitzlinie 32 entsteht. Aufgrund der Kegelkontur des Ventilsitzes 26 und der toroidalen Kontur an der Ventilhülse 25 erfolgt ein Flächenangleich nun ausgehend von der Sitzlinie 32 in gleicher Weise radial nach innen und nach außen. Die Begrenzung des Flächenangleichs nach außen erfolgt durch den Außendurchmesser d_a des Steuerventilkörpers 21 und nach innen durch den Innendurchmesser d_i der Ventilhülse 25. Bei nicht gezeigten Ausführungsformen kann in umgehrter Weise die Dichtfläche der Ventilhülse durch eine Kegelfläche und der Ventilsitz als ringförmiger Torus ausgebildet sein.
Fig. 3 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform des Steuerventils 23, wobei gleiche oder funktionsgleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2 bezeichnet sind. Das in Fig. 3 gezeigte Steuerventil 23 weist ein hier als Ventilnadel 25 ausgebildetes Ventilelement sowie ein zweiteiliges Ventilgehäuse (Führungsteil 34 und Sitzteil 35) auf. Die Ventilnadel 25 ist in einer Axialbohrung 36 des Führungsteils 34 verschiebbar geführt. Das Sitzteil 35 weist einen Ventilsitz 26 auf, der radial zwischen dem hier ringförmig ausgebildeten hochdruckseitigen Ventilraum 22 und dem niederdruckseitigen Ventilraum 24 vorgesehen ist. In den hochdruckseitigen Ventilraum 22 mündet die vom Steuerraum kommende Hochdruckleitung 20. Die Ventilnadel 25 begrenzt den hochdruckseitigen Ventilraum 22 radial nach innen und hat einen radial in den hochdruckseitigen Ventilraum 22 ragenden Ringvorsprung 29, dessen dem Ventilsitz 26 zugewandte Absatzfläche 29a eine mit dem Ventilsitz 26 zusammenwirkende Dichtfläche bildet. Der Sitzdurchmesser d_s des Ventilsitzes 26 und der Führungsdurchmesser d_F der Ventilnadel 25 sind bevorzugt gleich. Wie in Fig. 2b ist die Dichtfläche der Ventilnadel 25 durch eine Kegelfläche gebildet und weist der Ventilsitz 26 eine Sitzkante 31 auf, die durch eine niederdruckseitige Kegelfläche 26a, deren Kegelwinkel kleiner als der Kegelwinkel der Ventilnadel 25 ist, und eine hochdruckseitige Kegelfläche 26b, deren Kegelwinkel größer als der Kegelwinkel der Ventilnadel 25 ist, gebildet ist.
In nicht gezeigten Ausführungsformen des in Fig. 3 gezeigten Steuerventil 23 sind der Ventilsitz 26 und die Dichtfläche der Ventilnadel 25 wie in Fign.2a und 2c ausgebildet.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, umfassend
- eine Ventilnadel (4), die durch ihre Längsbewegung die Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung (5) steuert,

- einen an eine Hochdruckseite (14) angeschlossenen Steuerraum (17), dessen Druck wenigstens mittelbar auf die Ventilnadel (4) wirkt, und

- ein Steuerventil (23) mit einem Ventilsitz (26), der radial zwischen einem an den Steuerraum (17) angeschlossenen hochdruckseitigen Ventilraum (22) und einem niederdruckseitigen Ventilraum (24) vorgesehen ist, und mit einem verschiebbar geführten Steuenrentilelement (25), das den hochdruckseitigen Ventilraum (22) radial begrenzt und mit dem Ventilsitz (26) zusammenwirkt, wobei das Steuerventilelement (25) einen radial In den hochdruckseitigen Ventilraum (22) ragenden Ringvorsprung (29) aufweiset, dessen dem Ventilsitz (26) zugewandte Absatzfläche (29a) eine mit dem Ventilsitz (26) zusammenwirkende Dichtfläche bildet,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Steuerventilelement (25) als Ventilhülse ausgebildet ist und der hochdruckseitige Ventilraum (22) innerhalb der Ventilhülse (25) vorgesehen ist
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (26) durch eine Kegelfläche gebildet ist und dass die Dichtfläche des Steuerventilelements (25) eine Dichtkante (30) aufweist, die durch eine niederdruckseitige Kegelfläche (30a), deren Kegelwinkel (α_V1) größer als der Kegelwinkel (α_K) des Ventilsitzes (26) ist, und eine hochdruckseitige Kegelfläche (30b), deren Kegelwinkel (α_V2) kleiner als der Kegelwinkel (α_K) des Ventilsitzes (26) ist, gebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche des Steuerventilelements (25) durch eine Kegelfläche gebildet ist und dass der Ventilsitz (26) eine Sitzkante (31) aufweist, die durch eine niederdruckseitige Kegelfläche (26a), deren Kegelwinkel (α_K1) kleiner als der Kegelwinkel (α_V) des Steuervenfilelements (25) ist, und eine hochdruckseitlge Kegelfläche (26b), deren Kegelwinkel (α_K2) größer als der Kegelwinkel (α_V) des Steuerventilelements (25) ist, gebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (26) durch eine Kegelfläche und die Dichtfläche des Steuerventilelements (25) als ringförmiger Torus gebildet ist, oder umgekehrt.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitzdurchmesser (d_s) des Ventilsitzes (26) und der Führungsdurchmesser (d
) des Steuerventilelements (25) gleich sind.