DE10063261B4 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

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Abstract

Brennstoffeinspritzventil (1) für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem Aktor (10), einer durch den Aktor (10) betätigbaren Ventilnadel (3) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und einer Drallscheibe (34), die zumindest einen Drallkanal (35) aufweist, der von Brennstoff mit einer Tangentialkomponente bezüglich einer Längsachse (38) des Brennstoffeinspritzventils (1) durchströmt wird,
wobei die Drallscheibe (34) durch Einwirkung eines Stempelelements (36) axial elastisch verformbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die axiale Stellung des Stempelelements (36) einen Querschnitt eines Umgehungskanals (37) bestimmt, der den zumindest einen Drallkanal (35) ohne Tangentialkomponente umgeht.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
  • Aus der DE 197 36 682 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine bekannt, welches am stromabwärtigen Ende des Brennstoffeinspritzventils einen Führungs- und Sitzbereich aufweist, der von drei scheibenförmigen Elementen gebildet wird. Dabei ist ein Drallelement zwischen einem Führungselement und einem Ventilsitzelement eingebettet. Das Führungselement dient der Führung einer es durchragenden, axial beweglichen Ventilnadel, während ein Ventilschließabschnitt der Ventilnadel mit einer Ventilsitzfläche des Ventilsitzelements zusammenwirkt. Das Drallelement weist einen inneren Öffnungsbereich mit mehreren Drallkanälen auf, die nicht mit dem äußeren Umfang des Drallelements in Verbindung stehen. Der gesamte Öffnungsbereich erstreckt sich vollständig über die axiale Dicke des Drallelements.
  • Nachteilig bei dem aus der obengenannten Druckschrift bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere der festeingestellte Drallwinkel, der nicht den unterschiedlichen Betriebszuständen wie Teil- und Vollastbetrieb einer Brennkraftmaschine angepaßt werden kann. Dadurch kann auch der Kegelöffnungswinkel α der eingespritzten Gemischwolke nicht an die verschiedenen Betriebszustände angepaßt werden, was zu Inhomogenitäten bei der Verbrennung, erhöhtem Brennstoffverbrauch sowie erhöhter Abgasemission führt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Drall abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine einstellbar ist, wodurch ein dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepaßtes Strahlbild erzeugt werden kann. Dadurch können die Gemischbildung sowie das Brennverfahren optimiert werden.
  • Von Vorteil ist insbesondere der einfache Aufbau der drallerzeugenden Komponenten, die gegenüber der herkömmlichen Drallaufbereitung lediglich um ein einfach herstellbares Stempelelement, das auf die Ventilnadel aufschiebbar ist, erweitert werden. Die Betätigung des Stempelelements kann dabei z. B. piezoelektrisch, elektromagnetisch oder hydraulisch durch eine geeignete Steuereinheit erfolgen.
  • Von Vorteil ist auch, daß die Drallscheibe der konventionellen Drallaufbereitung unverändert übernommen werden kann.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
  • Weiterhin ist die trichterförmig eingesenkte Form des Ventilsitzkörpers, die eine elastische Verformung der Drallscheibe und damit die Einstellung des Dralls ermöglicht, einfach herstellbar.
  • Vorteilhafterweise weist das ablaufseitige Ende des Stempelelements eine radiale Abschrägung auf, deren Neigung derjenigen des trichterförmigen Ventilsitzkörpers entspricht, da durch die Drallscheibe gleichmäßig verformt wird und Inhomogenitäten vermieden werden.
  • Von Vorteil ist außerdem die Möglichkeit, das Stempelelement unabhängig vom Hub der Ventilnadel in die dem aktuellen Betriebszustand des Brennstoffeinspritzventils angemessene Stellung zu schalten.
  • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen axialen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils,
  • 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil im Bereich II in 1,
  • 3A-3B eine schematische Darstellung des Strahlwinkels α einer in den Brennraum eingespritzten Gemischwolke für verschiedene Betriebszustände eines Brennstoffeinspritzventils,
  • 4 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Drallscheibe des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils, und
  • 5A5B eine schematische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich V in 2.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Bevor anhand der 2 bis 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 näher beschrieben wird, soll zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst anhand von 1 das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 in einer Gesamtdarstellung bezüglich seiner wesentlichen Bauteile kurz erläutert werden.
  • Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine.
  • Das Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt einen Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht mit einem Ventilschließkörper 4 in Wirkverbindung, der mit einer auf einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1, welches über mindestens eine Abspritzöffnung 7 verfügt. Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen den Außenpol 9 einer Magnetspule 10 abgedichtet. Die Magnetspule 10 ist in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt, welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt. Der Innenpol 13 und der Außenpol 9 sind durch einen Spalt 26 voneinander getrennt und stützen sich auf einem Verbindungsbauteil 29 ab. Die Magnetspule 10 wird über eine Leitung 19 von einem über einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben, die am Innenpol 13 angespritzt sein kann.
  • Die Ventilnadel 3 ist in einer Ventilnadelführung 14 geführt, welche scheibenförmig ausgeführt ist. Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe 15. An der anderen Seite der Einstellscheibe 15 befindet sich ein Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit dem ersten Flansch 21 verbunden ist. Auf dem ersten Flansch 21 stützt sich eine Rückstellfeder 23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine Hülse 24 auf Vorspannung gebracht wird.
  • Ein zweiter Flansch 31, welcher mit der Ventilnadel 3 über eine Schweißnaht 33 verbunden ist, dient als unterer Ankeranschlag. Ein elastischer Zwischenring 32, welcher auf dem zweiten Flansch 31 aufliegt, vermeidet Prellen beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1.
  • Zulaufseitig des Dichtsitzes ist eine Drallscheibe 34 angeordnet, welche mindestens einen Drallkanal 35 aufweist. Die Drallscheibe 34 sorgt gemeinsam mit einem im Ausführungsbeispiel hülsenförmigen Stempelelement 36 für eine Drallaufbereitung des Brennstoffstrahls, welche vom Betriebszustand des Brennstoffeinspritzventils 1 abhängt. Das Stempelelement 36 ist im Ausführungsbeispiel hohlzylindrisch ausgebildet und auf die Ventilnadel 3 aufgesteckt. Über ein nicht dargestelltes Steuergerät sowie eine ebenfalls nicht weiter dargestellte Betätigungseinrichtung, die z. B. elektromagnetisch, hydraulisch oder piezoelektrisch auf die Stempelhülse 36 einwirkt, kann die Drallscheibe 34 während des Betriebs des Brennstoffeinspritzventils 1 elastisch verformt werden, so daß ein Umgehungskanal 37 (Bypass) geschlossen und damit dem die Drallscheibe 34 durchströmenden Brennstoff ein Drall erteilt werden kann.
  • Dadurch erhält der das Brennstoffeinspritzventil 1 durchströmende Brennstoff im Teillastbetrieb einen geringeren Drall, wodurch ein Strahlöffnungswinkel α einer in den nicht dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzten Gemischwolke kleiner gehalten wird, während im Vollastbetrieb durch einen größeren Drall auch ein größerer Strahlöffnungswinkel α erzielt wird. Entsprechend kann das Gemisch fetter oder magerer gehalten werden, wodurch eine optimale Verbrennung erzielt werden kann. Die Drallscheibe 34 und das Stempelelement sind in den 2 und 4 näher dargestellt, während die Funktionsweise der Bauteile in den 5A und 5B erläutert ist.
  • In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und in einer Führungsscheibe 42 verlaufen Brennstoffkanäle 30a bis 30c. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffleitung abgedichtet.
  • Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, daß der Ventilschließkörper 4 am Ventilsitz 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem Innenpol 12 und dem Anker 20 befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgegeben ist. Der Anker 20 nimmt den Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Wirkverbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab und der Brennstoff wird abgespritzt. Das Stempelelement 36 kann dabei unabhängig vom Hub der Ventilnadel 3 angesteuert und in die dem jeweiligen Betriebszustand angemessene axiale Position verschoben werden.
  • Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich der mit der Ventilnadel 3 in Wirkverbindung stehende Flansch 21 entgegen der Hubrichtung bewegt. Die Ventilnadel 3 wird dadurch in die gleiche Richtung bewegt, wodurch der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.
  • 2 zeigt in einer auszugsweisen, schematischen axialen Schnittdarstellung das erfindungsgemäß ausgestaltete Brennstoffeinspritzventil 1 im Bereich II in 1. Bereits beschriebene Elemente sind in allen Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
  • Um die oben erwähnte Einstellung des Dralls zu realisieren, weist das erfindungsgemäß ausgestaltete Brennstoffeinspritzventil 1 neben dem Stempelelement 36 eine trichterförmige Einsenkung 43 einer zulaufseitigen Stirnseite 39 des Ventilsitzkörpers 5 auf. Dabei verläuft die Einsenkung 43 von radial außen nach radial innen, so daß die Ventilsitzfläche 6 die Einsenkung 43 zur Abspritzöffnung 7 abschließt.
  • Das Stempelelement 36 weist an einem abströmseitigen Ende 40 eine Abschrägung 44 auf, deren Neigung der Neigung der trichterförmigen Einsenkung 43 entspricht.
  • Strömt in geöffnetem Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1 Brennstoff durch den in der Führungsscheibe 42 ausgebildeten Brennstoffkanal 30c, erhält der Brennstoff je nach der Position des Stempelelements 36 einen mehr oder weniger starken Drall.
  • In 2 befindet sich das Stempelelement 36 in einer Schaltstellung, in der keine Einwirkung auf die Drallscheibe 34 erfolgt, diese also nicht elastisch verformt wird. Dadurch ist ein Umgehungskanal 37 geöffnet, der es dem Brennstoff ermöglicht, die Drallscheibe 34 ohne Drallaufnahme von radial außen nach radial innen zu durchströmen. Dies wird durch die trichterförmige Einsenkung 43 in der zulaufseitigen Stirnseite 39 des Ventilsitzkörpers 5 ermöglicht, da dadurch ein Spalt 45 zwischen der Drallscheibe 34 und dem Ventilsitzkörper 5 entsteht. Die Tangentialkomponente der Brennstoffströmung ist somit sehr klein, wodurch die Strahlaufweitung der in den Brennraum eingespritzten Gemischwolke gering ist, der Strahlöffnungswinkel α klein bleibt und die Gemischwolke ein hohes Penetrationsvermögen aufweist.
  • 3A und 3B stellen zur Erläuterung der Anforderungen an die in den Brennraum eingespritzte Gemischwolke für zwei verschiedene Betriebszustände, den Teil- und den Vollastbereich, eines Brennstoffeinspritzventils 1 jeweils die wunschgemäß geformte Gemischwolke dar.
  • Eine gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine stellt im Teillastbetrieb andere Anforderungen an die Form, die Stöchiometrie und das Penetrationsvermögen der in den Brennraum eingespritzten Gemischwolke als im Vollastbetrieb. Im Teillastbetrieb sollte die Gemischwolke, wie in 3A dargestellt, einen relativ kleinen Öffnungswinkel α, ein großes Penetrationsvermögen, einen durch den kleinen Öffnungswinkel α bedingten schmalen Kernbereich mit fetterem Gemisch und eine sehr magere Hülle besitzen, während im Vollastbereich ein in 3B dargestellter großer Öffnungswinkel α und damit eine nahezu homogene Füllung des Zylinders mit zündfähigem Gemisch erforderlich ist.
  • Die Modellierung der Parameter der Gemischwolke kann durch die vorliegend beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen durch eine Beeinflussung des Dralls ermöglicht werden. Tritt nämlich der Brennstoff unter geringem Drall aus der Abspritzöffnung 7 aus, wird eine Gemischwolke mit einem kleinen Öffnungswinkel α eingespritzt, während ein starker Drall eine große Strahlaufweitung und somit eine Gemischwolke mit großem Öffnungswinkel α erzeugt. Die Stärke des Dralls ist dabei durch die axiale Position des Stempelelements 36 einstellbar.
  • 4 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel der Drallscheibe 34 des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1.
  • Die in 4 dargestellte Form der Drallscheibe 34 weist sechs Drallkanäle 35 auf, die sternförmig in gleichen Abständen angeordnet sind. Die Drallkanäle 35 weisen an radial äußeren Enden 46 Aufweitungen 47 auf. Die Ventilnadel 3 durchgreift die Drallscheibe 34, wodurch zwischen der Ventilnadel 3 und der Drallscheibe 34 eine Drallkammer 48 entsteht, in die die Drallkanäle 35 einmünden.
  • Die Aufweitungen 47 sind dabei so ausgeführt und angeordnet, daß der durch den Brennstoffkanal 30c strömende Brennstoff ohne Drallaufnahme in den Spalt 45 zwischen dem Ventilsitzkörper 5 und der Drallscheibe 34 eintritt und somit statt der Drallkanäle 35 den Umgehungskanal 37 nutzt. Dadurch kann der Brennstoff ohne eine tangentiale Komponente abgespritzt werden, wodurch der Strahl das geforderte hohe Penetrationsvermögen aufweist.
  • 5A und 5B zeigen in einer auszugsweisen Schnittdarstellung im Bereich V in 2 schematisch die Funktionsweise des Stempelelements 36 zur Drallaufbereitung.
  • 5A zeigt dabei die bereits in 2 erläuterte Stellung des Stempelelements 36, in welcher keine Einflußnahme auf die Drallscheibe 34 und somit keine Verdrallung des Brennstoffs erfolgt. Insbesondere ist in 5A die Übereinstimmung der Neigung der keilförmigen Abschrägung 44 des abströmseitigen Endes 40 des Stempelelements 36 mit der trichterförmigen Einsenkung 43 der zulaufseitigen Stirnseite 39 des Ventilsitzkörpers 5 erkennbar.
  • Wird das Brennstoffeinspritzventil 1 durch Betätigung des Aktors 10 und das Abheben der Ventilnadel 3 von der Ventilsitzfläche 6 geöffnet, strömt Brennstoff durch den Brennstoffkanal 30c zur Drallscheibe 34. Diese ist bei nicht betätigtem Stempelelement 36 durch den Spalt 45 vom Ventilsitzkörper 5 getrennt, wodurch der Brennstoff die in der Drallscheibe 34 ausgebildeten Drallkanäle 35 umgehen und über die radial äußeren Aufweitungen 47 der Drallkanäle 35 und durch den Spalt 45 bzw. den so gebildeten Umgehungskanal 37 unverdrallt zum Dichtsitz strömen kann. Die Strömung ist in 5A durch einen Pfeil gekennzeichnet.
  • 5B zeigt das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 ebenfalls in geöffnetem Zustand. Das Stempelelement 36 ist im Vergleich zu 5A in Rbströmrichtung verschoben und drückt auf die Drallscheibe 34. Durch die übereinstimmende Neigung der Abschrägung 44 und der Einsenkung 43 wird die Drallscheibe 34 durch das Stempelelement 36 gleichmäßig elastisch verformt und an den Ventilsitzkörper 5 gedrückt, wodurch der Umgehungskanal 37 bzw. der Spalt 45 geschlossen wird und der Brennstoff durch die Drallkanäle 35 strömt. Dadurch erhält die Strömung eine Komponente in tangentialer Richtung, wodurch nach dem Dichtsitz verdrallter Brennstoff aus der Abspritzöffnung 7 abgespritzt wird. Dies ist in 5B ebenfalls durch einen Pfeil dargestellt.
  • Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und insbesondere bei Brennstoffeinspritzventilen 1 mit piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktoren 27 und bei beliebigen Konstruktionsvarianten von Brennstoffeinspritzventilen 1 anwendbar.

Claims (10)

  1. Brennstoffeinspritzventil (1) für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem Aktor (10), einer durch den Aktor (10) betätigbaren Ventilnadel (3) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und einer Drallscheibe (34), die zumindest einen Drallkanal (35) aufweist, der von Brennstoff mit einer Tangentialkomponente bezüglich einer Längsachse (38) des Brennstoffeinspritzventils (1) durchströmt wird, wobei die Drallscheibe (34) durch Einwirkung eines Stempelelements (36) axial elastisch verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Stellung des Stempelelements (36) einen Querschnitt eines Umgehungskanals (37) bestimmt, der den zumindest einen Drallkanal (35) ohne Tangentialkomponente umgeht.
  2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stempelelement (36) hohlzylindrisch geformt und auf die Ventilnadel (3) aufschiebbar ist.
  3. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zulaufseitige Stirnseite (39) eines Ventilsitzkörpers (5) eine trichterförmige Einsenkung (43) aufweist.
  4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtsitz den tiefsten Punkt der trichterförmigen Einsenkung (43) der Stirnseite (39) des Ventilsitzkörpers (5) bildet.
  5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stempelelement (36) an einem ablaufseitigen Ende (40) eine keilförmig Abschrägung (44) aufweist.
  6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die keilförmige Abschrägung (44) des ablaufseitigen Endes (40) des Stempelelements (36) die gleiche Neigung aufweist wie die trichterförmige Einsenkung (43) der zulaufseitigen Stirnseite (39) des Ventilsitzkörpers (5).
  7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallscheibe (34) zwischen der keilförmigen Abschrägung (44) des Stempelelements (36) und der trichterförmigen Einsenkung (43) der Stirnseite (39) des Ventilsitzkörpers (5) angeordnet ist und bei Einwirkung des Stempelelements (36) trichterförmig verformt wird.
  8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallscheibe (34) an einem radial äußeren Rand (41) zwischen dem Ventilsitzkörper (5) und einer Führungsscheibe (42) eingespannt ist.
  9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drall des das Brennstoffeinspritzventil (1) durchströmenden Brennstoffs durch eine axiale Verschiebung des Stempelelements (36) in Abströmrichtung verstärkt und durch eine axiale Verschiebung des Stempelelements (36) entgegen der Abströmrichtung abgeschwächt wird.
  10. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stempelelement (36) unabhängig von einem Hub der Ventilnadel (3) in seiner axialen Position einstellbar ist.
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