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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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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.
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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.
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Vorteile der
Erfindung
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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.
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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.
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Von
Vorteil ist auch, daß die
Drallscheibe der konventionellen Drallaufbereitung unverändert übernommen
werden kann.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Weiterhin
ist die trichterförmig
eingesenkte Form des Ventilsitzkörpers,
die eine elastische Verformung der Drallscheibe und damit die Einstellung des
Dralls ermöglicht,
einfach herstellbar.
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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.
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Von
Vorteil ist außerdem
die Möglichkeit,
das Stempelelement unabhängig
vom Hub der Ventilnadel in die dem aktuellen Betriebszustand des
Brennstoffeinspritzventils angemessene Stellung zu schalten.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
axialen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils,
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil
im Bereich II in 1,
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3A-3B eine
schematische Darstellung des Strahlwinkels α einer in den Brennraum eingespritzten
Gemischwolke für
verschiedene Betriebszustände
eines Brennstoffeinspritzventils,
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4 eine
schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
der Drallscheibe des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils,
und
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5A–5B eine
schematische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
im Bereich V in 2.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Stempelelement 36 weist an einem abströmseitigen Ende 40 eine
Abschrägung 44 auf,
deren Neigung der Neigung der trichterförmigen Einsenkung 43 entspricht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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4 zeigt
in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel der Drallscheibe 34 des
erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1.
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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.
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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.
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5A und 5B zeigen
in einer auszugsweisen Schnittdarstellung im Bereich V in 2 schematisch
die Funktionsweise des Stempelelements 36 zur Drallaufbereitung.
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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.
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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.
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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.
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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.