DE10160490A1

DE10160490A1 - Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, Kraftstoffsystem sowie Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10160490A1
Application number: DE2001160490
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-12-08
Filing date: 2001-12-08
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2021-12-09
Also published as: WO2003054384A1; DE10160490B4

Abstract

Ein Injektor (26) für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung umfasst ein Gehäuse (34), in dem eine Ausnehmung (40) und mindestens eine Kraftstoff-Austrittsöffnung (46) vorhanden sind. Ein Verstellelement (42) ist in der Ausnehmung (40) angeordnet und umfasst an einem Endbereich (72) eine konische Ringfläche (74). Diese arbeitet mit einem gehäusefesten Ventilsitz (82) zusammen. Eine Fluidverbindung (70) verbindet einen Hochdruckanschluss mit einem unmittelbar stromaufwärts vom Ventilsitz (82) angeordneten Strömungsraum (88). Um das Emissionsverhalten von Brennkraftmaschinen zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Fluidverbindung (70) über mindestens eine Zulauföffnung (86a, 86b), welche in der Nähe des Ventilsitzes (82) liegt, in den Strömungsraum (88) mündet. Ferner wird vorgeschlagen, dass ein erster zwischen Zulauföffnung (86a, 86b) und Ventilsitz (82) angeordneter Abschnitt (76) der konischen Ringfläche (74) am Endbereich (72) des Ventilelements (42) mit einer gegenüberliegenden Fläche (84) des Gehäuses (34) einen Winkel von 10 DEG bis 35 DEG , vorzugsweise 15 DEG bis 30 DEG , einschließt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft zunächst eine Kraftstoff- Einspritzvorrichtung, insbesondere einen Injektor für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung, mit einem Gehäuse, welches eine Ausnehmung und mindestens eine Kraftstoff-Austrittsöffnung umfasst, mit einem Ventilelement, welches in der Ausnehmung angeordnet ist und an einem Endbereich eine konische Ringfläche umfasst, die mit einem gehäusefesten Ventilsitz zusammenarbeitet, und mit einer Fluidverbindung, welche einen Hochdruckanschluss mit einem unmittelbar stromaufwärts vom Ventilsitz angeordneten Strömungsraum verbindet.

Eine derartige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist aus der DE 199 33 328 A1 bekannt. Bei ihr handelt es sich um einen Common-Rail-Injektor, welcher hydraulisch betätigt wird. Dabei wird eine Ventilnadel von einer Ventilfeder gegen einen Ventilsitz gedrückt. Eine in Öffnungsrichtung der Ventilnadel wirkende Druckfläche ist ständig mit hohem Kraftstoffdruck beaufschlagt, welcher wiederum von einer Kraftstoff-Sammelleitung ("Rail") bereitgestellt wird. An einer anderen, in Schließrichtung der Ventilnadel wirkenden Druckfläche liegt bei geschlossener Ventilnadel ebenfalls der in der Kraftstoff-Sammelleitung herrschende Druck an. Über ein Steuerventil kann der auf diese Druckfläche wirkende hydraulische Druck abgesenkt werden. Dann bewegt sich die Ventilnadel entgegen der Beaufschlagung durch die Ventilfeder und hebt vom Ventilsitz ab. Hierdurch wird ein stromaufwärts vom Ventilsitz angeordneter Strömungsraum mit einer Kraftstoff-Austrittsöffnung verbunden, so dass Kraftstoff aus der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung austreten kann.

Derartige Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen werden bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung eingesetzt. Bei diesen wird der Kraftstoff direkt in einen der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zugeordneten Brennraum eingespritzt. Der in der Kraftstoff-Sammelleitung bereitzustellende sehr hohe Kraftstoffdruck wird zumeist von einer Vorförderpumpe und einer Hauptförderpumpe erzeugt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoff- Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Stickoxid-Emissionen einer Brennkraftmaschine, welche mit einer solchen Kraftstoff- Einspritzvorrichtung ausgestattet ist, gesenkt werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Fluidverbindung über mindestens eine Zulauföffnung, welche in der Nähe des Ventilsitzes liegt, in den Strömungsraum mündet, und dass ein erster zwischen Zulauföffnung und Ventilsitz angeordneter Abschnitt der konischen Ringfläche am Endbereich des Ventilelements mit einer gegenüberliegenden Fläche des Gehäuses einen Winkel von 10' bis 35', vorzugsweise 15' bis 30', einschließt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung hat den Vorteil, dass bei ihr der Druckverlauf stromabwärts vom Ventilsitz abhängig vom Hub des Ventilelements während des Öffnungs- und Schließvorganges in einer gewünschten Weise ausgestaltet werden kann. So kann bspw. vermieden werden, dass es beim Öffnen der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung unmittelbar nach dem Abheben des Ventilelements vom Ventilsitz zu einem steilen Druckanstieg stromabwärts vom Ventilsitz kommt.

Dies wurde erfindungsgemäß als eine mögliche Ursache für unerwünschte Stickoxid-Emissionen bei Brennkraftmaschinen erkannt. Derartige unerwünschte Stickoxid-Emissionen sind insbesondere bei NKW-Systemen dann zu erwarten, wenn stromabwärts des Ventilsitzes beim Öffnen des Ventilelements der Druck mit dem Hub des Ventilelements sehr stark ansteigt.

Eine Voraussetzung für die gewünschte Drosselung unmittelbar nach dem Abheben des Ventilelements vom Ventilsitz ist, dass der Kraftstoff in den unmittelbar stromaufwärts vom Ventilsitz angeordneten Strömungsraum über eine kurz vor dem Ventilsitz liegende Zulauföffnung zuströmt. Ferner muss der Winkel, den die beiden sich gegenüberliegenden Begrenzungsflächen des Strömungsraumes unmittelbar vor dem Ventilsitz einschließen, sehr klein sein.

Beide Maßnahmen ermöglichen es, dass dann, wenn das Ventilelement vom Ventilsitz abhebt, der Druckverlauf stromabwärts vom Ventilsitz zunächst von dem größerwerdenden Spalt zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilelement abhängt, der Druckanstieg über dem Hub stromabwärts vom Ventilsitz im weiteren Verlauf der Hubbewegung jedoch flacher wird, da die Drosselung der Strömung dann durch den Abstand der konischen Ringfläche am Endbereich des Ventilelements zu der gegenüberliegenden Fläche des Gehäuses bestimmt wird.

Da diese beiden Flächen fast parallel sind und die lichte Weite zwischen den beiden Flächen im Verlauf der Öffnungsbewegung des Ventilelements von der Konizität des Endbereiches des Ventilelements abhängt, kann die Drosselcharakteristik über den Hub bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung in der gewünschten Weise so eingestellt werden, dass der Druck stromabwärts vom Ventilsitz vergleichsweise flach ansteigt. Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäßen Vorteile bei Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen mit Sacklochdüsen als auch mit Sitzlochdüsen erzielt werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein zweiter Abschnitt der konischen Ringfläche am Endbereich des Ventilelements, welcher unmittelbar stromabwärts vom Ventilsitz angeordnet ist, mit der gegenüberliegenden Fläche des Gehäuses einen Winkel einschließt, welcher etwas größer ist als der Winkel zwischen dem ersten Abschnitt der konischen Ringfläche und der gegenüberliegenden Gehäusefläche.

Auf diese Weise wird eine weitere "Drosselstufe" geschaffen, deren Wirkung dann hervortritt, wenn sich das Ventilelement so weit bewegt hat, dass die beiden oben beschriebenen Drosselwirkungen abnehmen. Durch die besagte Ausgestaltung des zweiten Abschnitts der konischen Ringfläche am Endbereich des Ventilelements wird innerhalb der Hubdrosselkurve, welche die Strömungsmenge mit dem Hub des Ventilelements verknüpft, ein nochmals flacherer Bereich als die beiden vorhergehenden Bereiche geschaffen.

Die erfindungsgemäße Wirkung, die Stickoxid-Emissionen zu senken, welche im Betrieb einer Brennkraftmaschine auftreten können, wird bei dieser Weiterbildung nochmals verstärkt.

Besonders kompakt baut die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung dann, wenn die Fluidverbindung einen Strömungskanal umfasst, welcher im Ventilelement insgesamt in dessen Längsrichtung verläuft.

Vorgeschlagen wird dabei auch, dass die Zulauföffnung in dem ersten Abschnitt der Ringfläche am Endbereich des Ventilelements angeordnet ist. Eine solche Kraftstoff- Einspritzvorrichtung baut ebenfalls sehr kompakt und ermöglicht einen im Hinblick auf die gewünschten Drosseleigenschaften günstigen Strömungsverlauf in dem stromaufwärts vom Ventilsitz angeordneten Strömungsraum.

Wenn eine Ringkante der Zulauföffnung wenigstens bereichsweise eine Rundung aufweist, kann hierdurch das Drosselverhalten ebenfalls beeinflusst werden. Dies betrifft insbesondere die Drosselwirkung, welche zwischen dem ersten Abschnitt der konischen Ringfläche des Ventilelements und der gegenüberliegenden Fläche des Gehäuses auftritt.

Ferner wird vorgeschlagen, dass ein Strömungsquerschnitt der Kraftstoff-Austrittsöffnung kleiner ist als ein Strömungsquerschnitt der Fluidverbindung. Auf diese Weise kann nochmals eine "Drosselstufe" geschaffen werden, deren Drosselwirkung vom Hub des Ventilelementes vollkommen unabhängig ist. Diese durch den Strömungsquerschnitt der Austrittsöffnung gebildete "Drosselstufe" wirkt bei einem vergleichsweise großen Hub des Ventilelements und führt zu einem waagrecht verlaufenden Abschnitt der Hub- Drosselkurve.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind sehr gut geeignet für eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, bei der das Ventilelement hydraulisch betätigt wird. In konkreter Ausgestaltung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung einen hydraulischen Steuerraum umfasst, welcher von einer in Längsrichtung des Ventilelements wirkenden Druckfläche begrenzt wird, die durch mindestens einen Absatz auf einer äußeren Umfangswand des Ventilelements gebildet wird. Der Steuerraum liegt somit relativ zum Ventilelement radial außen. Die Hochdruckabdichtung des Gehäuses der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung wird durch diese Maßnahme erheblich vereinfacht.

Möglich ist aber auch, dass das Ventilelement durch einen Magnet- oder einen Piezoaktor betätigt wird. Mit beiden Ausbildungen sind relativ kurze Schaltzeiten bei einfachem Aufbau realisierbar.

Die Erfindung betrifft auch ein Kraftstoffsystem mit einem Kraftstoffbehälter, mit mindestens einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung, welche den Kraftstoff direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzt, mit mindestens einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe, und mit einer Kraftstoff-Sammelleitung, an die die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung angeschlossen ist.

Um bei einer Brennkraftmaschine, welche mit einem solchen Kraftstoffsystem ausgestattet ist, geringe Stickoxid- Emissionen realisieren zu können, wird vorgeschlagen, dass die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung in der obigen Art ausgebildet ist.

Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Brennraum, in den der Kraftstoff direkt eingespritzt wird. Um das Emissionsverhalten einer solchen Brennkraftmaschine zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass sie ein Kraftstoffsystem in der obigen Art aufweist.

Zeichnung

Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen;
Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt durch eine der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen von Fig. 1;
Fig. 3 einen vergrößerten Teilschnitt durch einen Endbereich der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung von Fig. 2;
Fig. 4 eine nochmals vergrößerte Darstellung des Endbereichs der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung von Fig. 3; und
Fig. 5 ein Diagramm, in dem die von der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung von Fig. 2 abgegebene Kraftstoffmenge über einem Hub eines Ventilelements dargestellt ist.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst ein Kraftstoffsystem 12.
In einem Kraftstoffbehälter 14 des Kraftstoffsystems 12 ist Kraftstoff gespeichert. Eine elektrisch angetriebene Kraftstoffpumpe 16 fördert Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter 14 zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18. Diese wird auf in Fig. 1 nicht näher dargestellte Art und Weise direkt bspw. von einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine 10 angetrieben. Die Hochdruck- Kraftstoffpumpe 18 fördert den Kraftstoff unter hohem Druck in eine Kraftstoff-Sammelleitung 20. In dieser kann im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert werden.
Hochdruckleitungen 22 führen zu Hochdruckanschlüssen 24 von Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 26. Bei diesen handelt es sich um Injektoren, welche den Kraftstoff direkt in Brennräume 28 einspritzen. Niederdruckanschlüsse 30 der Injektoren 26 sind mit einer Niederdruck-Rücklaufleitung 32 verbunden, welche zum Kraftstoffbehälter 14 zurückführt. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 und des Kraftstoffsystems 12 wird insgesamt von einem in der Figur nicht dargestellten Steuer- und Regelgerät gesteuert bzw. geregelt.
Der genaue Aufbau des Injektors 26 ist aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich (dabei sind in Fig. 2 aus Darstellungsgründen nicht alle Bezugszeichen eingetragen): Danach umfasst der Injektor ein Gehäuse 34, von dem in Fig. 2 ein Düsenkörper 36 und eine Zwischenscheibe 38 dargestellt sind. Diese werden von einer in der Figur nicht dargestellten Düsenspannmutter gegeneinander verspannt. Im Düsenkörper 36 ist eine sacklochartige Ausnehmung 40 vorhanden. In diese ist ein Ventilelement 42 eingesetzt. In Fig. 2 nach unten hin wird die Ausnehmung 40 durch einen Einspritzkegel 44 verschlossen, in dem eine Kraftstoff- Austrittsöffnung 46 vorhanden ist.
Das Ventilelement 42 erstreckt sich in Längsrichtung koaxial zur Ausnehmung 40. Es trägt in etwa in seiner axialen Mitte einen Abschnitt 48 mit größerem Durchmesser in der Art eines Ringbunds. An diesem stützt sich eine Ventilfeder 50 ab, die eine Hülse 52 gegen die Zwischenscheibe 38 beaufschlagt. Die Abdichtung zwischen Hülse 52 und Zwischenscheibe 38 erfolgt dadurch, dass der in Fig. 2 obere Rand der Hülse 52 als Schneidkante 54 ausgebildet ist.
Der Abschnitt 48 des Ventilelements 42 arbeitet im Gleitspiel, jedoch fluid- und druckdicht, mit der Ausnehmung 40 im Düsenkörper 36 zusammen. Zwischen dem Abschnitt 48, der Ausnehmung 40, der Zwischenscheibe 38, der Hülse 52 und dem in Fig. 2 oberhalb des Abschnitts 48 gelegenen Bereich des Ventilelements 42 ist ein hydraulischer Steuerraum 56 vorhanden. Eine in Fig. 2 obere Stirnfläche des Abschnitts 48 des Ventilelements 42 bildet eine in Längsrichtung bzw. Schließrichtung des Ventilelements 42 wirkende Druckfläche 58.
Über eine Ablaufdrossel 60 kann der hydraulische Steuerraum 56 mittels eines Steuerventils 62 mit dem Niederdruckanschluss 30 und in der Folge mit der Niederdruck-Rücklaufleitung 32 verbunden werden. Hierauf wird im Detail noch weiter unten eingegangen. Ein Kanal 64 in der Zwischenscheibe 38 verbindet den Hochdruckanschluss 24 mit einem zwischen der Zwischenscheibe 38, einer in Fig. 2 oberen axialen Endfläche 64 des Ventilelements 42 und der Hülse 52 gebildeten oberen Strömungsraum 66.
Eine Zulaufdrossel 68 in der Hülse 52 verbindet den oberen Strömungsraum 66 wiederum mit dem hydraulischen Steuerraum 56. Im Ventilelement 42 ist in dessen Längsrichtung ein zur Längsachse des Ventilelements 42 koaxialer Strömungskanal 70 vorhanden. Dieser führt vom oberen Strömungsraum 66 im Ventilelement 42 bis zu einem in Fig. 2 unteren Endbereich 72 des Ventilelements 42. Dessen genaue Ausgestaltung ist im Detail aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich:
Am Endbereich 72 des Ventilelements 42 ist eine konische Ringfläche 74 vorhanden, so dass das in den Fig. 2 bis 4 untere Ende des Ventilelements 42 kegelig spitz zuläuft. Die konische Ringfläche 74 umfasst dabei einen radial äußeren Abschnitt 76, der mit der Längsachse des Ventilelements 42 einen kleineren Winkel einschließt als ein radial innerer Abschnitt 78. Zwischen den beiden Abschnitten 76 und 78 der konischen Ringfläche 74 ist eine Dichtkante 80 vorhanden. Diese arbeitet mit einem Ventilsitz 82 zusammen, welcher auf einer ebenfalls kegeligen Ringfläche 84 des Einspritzkegels 44 des Düsenkörpers 36 ausgebildet ist.
Der im Ventilelement 42 verlaufende Strömungskanal 70 verzweigt sich im Bereich des unteren Endbereiches 72 in zwei separate Kanäle (ohne Bezugszeichen), welche zu Zulauföffnungen 86a und 86b führen. Die Zulauföffnungen 86a und 86b sind diametral gegenüberliegend im radial äußeren Abschnitt 76 der konischen Ringfläche 74 angeordnet. Die Zweige des Strömungskanals 70 verlaufen dabei in etwa in einem rechten Winkel zum radial äußeren Abschnitt 76 der konischen Ringfläche 74.
Der radial äußere Abschnitt 76 der konischen Ringfläche 74 am unteren Endbereich 72 des Ventilelements 42 und die kegelige Ringfläche 84 im Einspritzkegel 44 des Düsenkörpers 36 begrenzen einen unmittelbar stromaufwärts vom Ventilsitz 82 bzw. der Dichtkante 80 gelegenen Strömungsraum 88. Stromabwärts vom Ventilsitz 82 bzw. der Dichtkante 80 ist zwischen dem radial inneren Abschnitt 78 der konischen Ringfläche 74 am unteren Endbereich 72 des Ventilelements 42 und einer Wand des Einspritzkegels 44 ein zweiter Strömungsraum 90 vorhanden.
Die Position der Kraftstoff-Austrittsöffnung 46 ist in Fig. 3 auf der linken Seite am Beispiel einer Sitzlochdüse, in Fig. 3 auf der rechten Seite am Beispiel einer Sacklochdüse dargestellt. Der Strömungsquerschnitt d2 der Kraftstoff-Austrittsöffnung 46 ist in jedem Fall kleiner als die Summe der Strömungsquerschnitte d1 der Verzweigungen des Strömungskanals 70 im Ventilelement 42. Der in den Fig. 3 und 4 radial äußere Bereich der Zulauföffnungen 86a und 86b ist, wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich ist, mit einer Rundung 92 ausgebildet.
Der Winkel, den der radial äußere Abschnitt 76 der konischen Ringfläche 74 mit der kegeligen Ringfläche 84 des Einspritzkegels 44 des Düsenkörpers 36 einschließt, ist sehr klein und in Fig. 4 mit α1 bezeichnet. Vorteilhafterweise beträgt er ungefähr 10' bis 35', besonders vorteilhaft ist ein Winkel α1 im Bereich zwischen 15' und 30'. Dabei sei darauf hingewiesen, dass in den Fig. 2 bis 4 die Winkel aus zeichnungstechnischen Gründen überhöht dargestellt sind. Der Winkel, den der radial innere Abschnitt 78 der konischen Ringfläche 74 des Endbereichs 72 des Ventilelements 42 mit der kegeligen Ringfläche 84 des Einspritzkegels 44 des Düsenkörpers 36 einschließt, ist in Fig. 4 mit α2 bezeichnet und insgesamt etwas größer als der obige Winkel α1.
Der Injektor 26 arbeitet folgendermaßen:
Wenn kein Kraftstoff vom Injektor 26 eingspritzt werden soll, ist das Steuerventil 62 geschlossen. In diesem Fall herrscht im Steuerraum 56 ebenso wie in den Strömungsräumen 66 und 88 der gleiche Druck, nämlich der volle in der Kraftstoff-Sammelleitung herrschende Systemdruck. Auf Grund der Kraft durch die Ventilfeder 50 und durch die hydraulische Kraft, welche an der Druckfläche 58 angreift und in Schließrichtung des Ventilelements 42 wirkt, wird das Ventilelement 42 mit der Dichtkante 80 gegen den Ventilsitz 82 gedrückt. Der Strömungsraum 88 ist somit vom Strömungsraum 90 getrennt und es kann kein Kraftstoff aus der Kraftstoff-Austrittsöffnung 46 austreten.
Wird eine Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum 28 gewünscht, öffnet das Steuerventil 62. Hierdurch kann Kraftstoff aus dem Steuerraum 56 über die Ablaufdrossel 60 in die Niederdruck-Rücklaufleitung 32 abströmen. Da die Zulaufdrossel 68 kleiner ist als die Ablaufdrossel 60, kann der Kraftstoff nicht mit der gleichen Geschwindigkeit in den Steuerraum 56 nachströmen, so dass sich in diesem ein Druckabfall einstellt. Hierdurch wird auch die an der Druckfläche 58 angreifende Schließkraft geringer.
Gleichzeitig wirkt an dem stromaufwärts von der Dichtkante 80 gelegenen radial äußeren Abschnitt 76 der konischen Ringfläche 74 weiterhin der volle Systemdruck. Wenn die hydraulische Kraftresultierende am äußeren Abschnitt 76 der konischen Ringfläche 74 des Ventilelements 42 die Schließkraft der Ventilfeder 50 und die an der Druckfläche 58 angreifende hydraulische Kraft übersteigt, hebt das Ventilelement 42 mit seiner Dichtkante 80 vom Ventilsitz 82 ab. Somit kann der Kraftstoff vom Strömungsraum 88 in den Strömungsraum und von dort durch die Austrittsöffnung 46 hindurch in den dem Injektor 26 zugeordneten Brennraum 28 gelangen. Der Verlauf der Strömungsmenge dm/dt über einem Hub h des Ventilelements 42 ist aus Fig. 5 ersichtlich:
Unmittelbar nach dem Abheben der Dichtkante 80 des Ventilelements 42 vom Ventilsitz 82 ist die Drosselung der Strömungsmenge dm/dt im Wesentlichen durch den sich zwischen der Dichtkante 80 und dem Ventilsitz 82 ergebenden Spalt bestimmt. Der entsprechende Bereich in dem Diagramm von Fig. 5 trägt das Bezugszeichen 94. Man sieht, dass unmittelbar nach dem Abheben der Dichtkante 80 vom Ventilsitz 82 ein sehr steiler Anstieg der Strömungsmenge und somit auch des Druckes im Strömungsraum 90 zu beobachten ist.
Im weiteren Verlauf der Hubbewegung des Ventilelements 42 beginnt der sich zwischen dem radial äußeren Abschnitt 76 der konischen Ringfläche 74 und der kegeligen Ringfläche 84 des Einspritzkegels 44 ergebende, scheibenringförmige Strömungskanal eine Drosselwirkung zu entfalten, die stärker ist als die oben genannte Drosselwirkung. Der entsprechende Abschnitt trägt in Fig. 5 das Bezugszeichen 96. Man sieht, dass der Anstieg der Strömungsmenge dm/dt über dem Hub h im Abschnitt 96 weniger ausgeprägt ist als im Abschnitt 94. Entsprechend steigt auch der Druck im Strömungsraum 90 weniger stark an.
Bewegt sich das Ventilelement 42 noch weiter, gewinnt jene Drosselung an Einfluss, welche durch den sich zwischen dem inneren Abschnitt 78 der konischen Ringfläche 74 und der kegeligen Ringfläche 84 des Einspritzkegels 44 ergebenden Strömungsquerschnitt bedingt ist. Der entsprechende Abschnitt trägt in Fig. 5 das Bezugszeichen 98. Er ist nochmals flacher als der Abschnitt 96, d. h. dass der Druckanstieg im Strömungsraum 90 nochmals geringer ist.
Wenn das Ventilelement 42 mit seiner Dichtkante 80 weit genug vom Ventilsitz 82 abgehoben hat, drosselt nur noch die Kraftstoff-Austrittsöffnung 46. In diesem Fall ist die Strömungsmenge dm/dt vom Hub h des Ventilelements 42 unabhängig, nämlich konstant. Entsprechend ergibt sich auch kein weiterer Druckanstieg mehr im Strömungsraum 90 des Injektors 26. Der entsprechende Abschnitt der Kurve trägt in Fig. 5 das Bezugszeichen 100.
Die Einspritzung von Kraftstoff durch den Injektor 26 wird dadurch beendet, dass das Steuerventil 62 schließt. Hierdurch steigt der Druck im Steuerraum 56 wieder an und das Ventilelement 42 wird mit der Dichtkante 80 wieder gegen den Ventilsitz 82 gedrückt. Der Verlauf der Strömungsmenge dm/dt über dem Hub h bzw. der Verlauf des Druckes im Strömungsraum 90 ist dann umgekehrt zu dem oben beschriebenen Verlauf.
Bei dem in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Injektor 26 wird die Bewegung des Ventilelements 42 hydraulisch gesteuert. Es versteht sich jedoch, dass der Vorteil eines relativ flachen Druckverlaufs über dem Hub des Ventilelements auch bei einem Injektor realisiert werden kann, dessen Ventilelement bspw. durch einen Magnetaktor oder durch ein Piezoelement bewegt wird.

Claims

1. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (26), insbesondere Injektor für Brennkraftmaschinen (10) mit Direkteinspritzung, mit einem Gehäuse (34), welches eine Ausnehmung (40) und mindestens eine Kraftstoff- Austrittsöffnung (46) umfasst, mit einem Ventilelement (42), welches in der Ausnehmung (40) angeordnet ist und an einem Endbereich (72) eine konische Ringfläche (74) umfasst, die mit einem gehäusefesten Ventilsitz (82) zusammenarbeitet, und mit einer Fluidverbindung (70), welche einen Hochdruckanschluss (24) mit einem unmittelbar stromaufwärts vom Ventilsitz (82) angeordneten Strömungsraum (88) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung (70) über mindestens eine Zulauföffnung (86a, 86b), welche in der Nähe des Ventilsitzes (82) liegt, in den Strömungsraum (88) mündet, und dass ein erster zwischen Zulauföffnung (86a, 86b) und Ventilsitz (82) angeordneter Abschnitt (76) der konischen Ringfläche (74) am Endbereich (72) des Ventilelements (42) mit einer gegenüberliegenden Fläche (84) des Gehäuses (34) einen Winkel (α1) von 10-35', vorzugsweise 15-30', einschließt.

2. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Abschnitt (78) der konischen Ringfläche (74) am Endbereich (72) des Ventilelements (42), welcher unmittelbar stromabwärts vom Ventilsitz (82) angeordnet ist, mit der gegenüberliegenden Fläche (84) des Gehäuses (34) einen Winkel (α2) einschließt, welcher etwas größer ist als der Winkel (α1) zwischen dem ersten Abschnitt (76) der konischen Ringfläche (74) und der gegenüberliegenden Gehäusefläche (84).

3. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (26) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung einen Strömungskanal (70) umfasst, welcher im Ventilelement (42) insgesamt in dessen Längsrichtung verläuft.

4. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (26) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulauföffnung (86a, 86b) in dem ersten Abschnitt (76) der Ringfläche (74) am Endbereich (72) des Ventilelements (42) angeordnet ist.

5. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ringkante der Zulauföffnung (86a, 86b) wenigstens bereichsweise eine Rundung (92) aufweist.

6. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsquerschnitt (d2) der Kraftstoff-Austrittsöffnung (46) kleiner ist als ein Strömungsquerschnitt (d1) der Fluidverbindung (70).

7. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (42) hydraulisch betätigt wird.

8. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (26) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen hydraulischen Steuerraum (56) umfasst, welcher von einer in Längsrichtung des Ventilelements (42) wirkenden Druckfläche (58) begrenzt wird, die durch mindestens einen Absatz auf einer äußeren Umfangswand des Ventilelements (42) gebildet wird.

9. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement durch einen Magnet- oder einen Piezoaktor betätigt wird.

10. Kraftstoffsystem (12) mit einem Kraftstoffbehälter (14), mit mindestens einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (26), welche den Kraftstoff direkt in den Brennraum (28) einer Brennkraftmaschine (10) einspritzt, mit mindestens einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe (18), und mit einer Kraftstoff-Sammelleitung (20), an die die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung (26) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.

11. Brennkraftmaschine (10), mit mindestens einem Brennraum (28), in den der Kraftstoff direkt eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kraftstoffsystem (12) nach Anspruch 10 aufweist.