Die Erfindung betrifft einen Hochdruck-lnjektor mit einer elektromagnetisch gesteuerten Einspritzdüse, insbesondere für die intermittierende Kraftstoff-Einspritzung bei Ottomotoren.
Der Stand der Technik in bezug auf Injektoren dieser Art kann durch die folgenden Veröffentlichungen erläutert werden:
"New fuel injector design lowers cost" von L.G. Degrace et al, im SAE-Abdruck Nr. 850 559 (SP609).
"Application of the Taguchi Method to the Design of Bendix Electronics DEKA Fuel Injectors" von G. Bata et al, im SAE-Abdruck Nr. 870 079.
"Single Point Electronic Injection System" von T. Toyoda et al, im SAE-Abdruck Nr. 820 902.
"A New Low Pressure Single Point Gasoline Injection System" von H. Knapp et al, im SAE-Abdruck Nr. 850 293.
In diesen Veröffentlichungen werden die Vorteile und Nachteile von bekannten Injektoren mit unterschiedlichen Bauarten erläutert, unter anderem in bezug auf die Steuerung und Art der Einspritzung unter niedrigem oder hohem Brennstoffdruck. Daraus geht hervor, dass die Einspritzung unter hohem Druck bestimmte Vorteile für die wirksame Einspritzung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen bieten kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Injektor der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine reduzierte \ffnungs- und Schliesszeit aufweist, die intermittierende Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in Form eines äusserst fein verteilten Kraftstoffstrahls mit grosser Reichweite erzielt und durch Stromsteuerung genauestens geregelt werden kann.
Zu diesem Zweck ist der erfindungsgemässe Injektor durch die in den Patentansprüchen definierten Merkmale gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnung erläutert, die einen teilweisen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Injektor schematisch darstellt.
Der Injektor besteht im wesentlichen aus einer elektromagnetisch gesteuerten Einspritzdüse mit einem durch Spannfeder schliessenden Nadelventil 1 in Wirkverbindung mit einem Elektromagnet 2.
Das Nadelventil 1 ist im unteren Teil der Einspritzdüse angeordnet und besteht aus einer Ventilnadel 11 mit einem Sprühzapfen 11A, die in einem zylindrischen Düsenkörper 12 mit einem oberen Tragflansch 12A axial angeordnet ist und eine untere Einspritzöffnung 13 in einem Ventilsitz 13A durch Federspannung abschliesst.
Der Düsenkörper 12 ist mit einer axialen Durchgangsbohrung 12B versehen, die als Führung für die Ventilnadel 11 dient und sich zwischen einer oberen zentralen Aussparung 12C im Tragflansch 12A und einem unteren zentralem Hohlraum 14 im Düsenkörper 12 erstreckt. Ferner sind im Düsenkörper 12 mehrere, beispielsweise vier, seitliche Eintrittsöffnungen 15 vorgesehen, die über entsprechende Längsbohrungen 16 im Düsenkörper mit dem unteren zentralen Hohlraum 14 in Verbindung stehen.
Der Tragflansch 12A ist ferner mit einem oberen zentralen ringförmigen Ansatz 12D versehen, der in einer entsprechenden zentralen Aussparung in einem Magnetträger 23 eingreift, um die Zentrierung und axiale Ausrichtung des Elektromagnets 2 in bezug auf das Nadelventil 1 zu gewährleisten. Die obere Stirnfläche des Tragflanschs 12A mit dem Ansatz 12D dient als Auflagefläche, die unter Zwischenschaltung einer Dichtung 17 in einer entsprechenden Aussparung am Umfang des Tragflanschs 12A, den Magnetträger 23 abstützt und zugleich in die richtige Lage bringt.
Die obere zentrale Aussparung 12C im Tragflansch 12A enthält eine reibungsarme Dichtung 18, die den oberen Teil der Ventilnadel 11 dichtend umschliesst und die rasche axiale Bewegung derselben ohne merkbaren Reibungswiderstand gestattet.
Der Magnetträger 23 besteht aus einem Tragring 23A mit einer oberen Stirnfläche 23B und einer Querplatte 23C mit einer axialen Bohrung 23D zur Führung der Ventilnadel 11 sowie der bereits genannten unteren zentralen Aussparung zur Aufnahme des Ansatzes 12B an der Oberseite des Tragflanschs 12A.
Der Elekromagnet 2 besteht aus einem geschichteten Magnetkern 21 in Form eines Lamellenmagnets mit einer Vielzahl von Lamellen aus Weicheisen, die nebeneinander in Längsrichtung angeordnet und miteinander fest verbunden bzw. verklebt sind und damit einen einzigen geschichteten Magnetkörper bilden. Jede Lamelle des Magnetkerns 21 ist in ihrem mittleren Bereich mit einem Längsschlitz 22 zur Aufnahme einer Magnetfeldspule 24 innerhalb des Magnetkerns 21 versehen, wobei jede Lamelle einen seitlichen Ansatz 25 aufweist, der in einer entsprechenden Aussparung in einem ringförmigen Magnethalter 26 angeordnet ist.
Der geschichtete Elektromagnet 2 hat einen zentralen Hohlraum 27 zur Aufnahme einer Spannfeder 28 und steht in Wirkverbindung mit einem beweglichen Anker 29, der mit einem Tragkopf 30 am oberen Ende der Ventilnadel 11 fest verbunden ist, wobei dieser Tragkopf 30 als untere Auflage für die Spannfeder 28 dient.
Am oberen Ende des geschichteten Magnetkerns 22 ist ein Magnetdeckel 31 mit einem unteren zentralen Ansatz 31A vorgesehen, der in den zentralen Hohlraum 27 hineinragt, wobei sein unteres Ende eine Aussparung 31B zur Aufnahme des oberen Endes der Spannfeder 28 aufweist und als Gegenlager für diese dient.
Die beschriebene Magnetanordnung mit dem Magnetdeckel 31 wird durch einen Spannring 32 im Magnethalter 26 gesichert und unter Zwischenschaltung eines O-Rings 33 mit einem Abschlussdeckel 34 abgedeckt, durch den die Stromanschlüsse 35 und 36 für die Magnetfeldspule 24 hindurchgehen.
Ein Tragmantel 37, der am Umfang des Tragflanschs 12A und des Abschlussdeckels 34 nach innen umgebördelt ist, umschliesst die Einspritzdüse und hält die beschriebenen Elemente derselben zusammen.
Die beschriebene Anordnung des Injektors wurde rotationssymmetrisch um die Längsachse X der Einspritzdüse ausgeführt, wobei hier der Lamellenmagnet 21 mit dreissig radial angeordneten Weicheisenlamellen mit einer Dicke von 0,38 mm und die Magnetfeldspule 24 mit dreissig Windungen aus Draht mit 0,5 mm Durchmesser versehen wurde. Ferner wurde der Ventilhub bzw. der Luftspalt zwischen dem geschichteten Magnetkern 21 und dem Anker 29, durch Nachschleifen der Stirnfläche 23B des Tragrings 23A, auf einen Abstand zwischen 0,05 und 0,1 mm eingestellt.
Bei dieser Ausführung des Injektors wurde eine \ffnungszeit des Nadelventils 1 von weniger als 70 Mikrosekunden und eine Schliesszeit von weniger als 50 Mikrosekunden erzielt. Die Kraftstoff-Einspritzmenge pro Ventilhub bzw. Einspritzperiode konnte in diesem Fall auf Werte im Bereich von 5x10<-><3> bis 50x10<-><3> cm<3> durch Stromsteuerung des Elektromagnets eingestellt werden.
Die erfindungsgemässe Anordnung des Injektors ergibt spezielle Vorteile für die Kraftstoff-Einspritzung, die wie folgt erläutert werden können:
(a) Die sehr hohe Magnetfeldstärke pro Flächeneinheit, die sich durch die erfindungsgemässe Anordnung des Lamellenmagnets mit der inneren Magnetfeldspule ergibt, gestattet eine dementsprechende Verkleinerung der Einspritzdüse und aller beweglichen Teile sowie des Ventilhubs, wodurch die \ffnungs- und Schliesszeit bzw. die Ansprechzeit des Magnetventils drastisch verkürzt werden kann.
(b) Die Stromsteuerung des Magnetventils kann demzufolge mit sehr hoher Genauigkeit durch Stromimpulse mit stark reduzierten Pulsbreiten und erhöhten Pulsfrequenzen gewährleistet werden.
(c) Dadurch wird es nun möglich, mehrere kurze, genau steuerbare, frequenzmodulierte Einspritzungen innerhalb jeder Ansaugperiode zu erzielen, die an sich eine verbesserte Verteilung und Vermischung des eingespritzten Kraftstoffs mit der Luft im Ansaugkanal gewährleisten.
(d) Eine hervorragende Zerstäubung, Verteilung und Vermischung des Kraftstoffs ergibt sich ausserdem durch die bedeutende Verminderung der Tröpfchengrösse und Vergrösserung der Reichweite des in den Ansaugkanal eingespritzten Kraftstoffstrahls auf Grund der Tatsache, dass der erfindungsgemässe Aufbau des Injektors die wirksame, genau steuerbare Kraftstoff-Einspritzung unter sehr hohem Druck, beispielsweise im Bereich von 30 bis 50 bar oder noch höher ermöglicht.
Auf Grund der oben geschilderten Vorteile eignet sich der erfindungsgemässe Injektor besonders für die Mehrfacheinspritzung bei Hochleistungs-Ottomotoren, bei denen für jeden Zylinder eine zeitliche und örtliche, genau steuerbare Zuordnung von Krafstoff und Luft besonders vorteilhaft bzw. erforderlich ist.
The invention relates to a high-pressure injector with an electromagnetically controlled injection nozzle, in particular for intermittent fuel injection in gasoline engines.
The state of the art in relation to injectors of this type can be explained by the following publications:
"New fuel injector design lowers cost" by L.G. Degrace et al, in SAE Footprint No. 850 559 (SP609).
"Application of the Taguchi Method to the Design of Bendix Electronics DEKA Fuel Injectors" by G. Bata et al, in SAE impression no. 870 079.
"Single Point Electronic Injection System" by T. Toyoda et al, in SAE impression no. 820 902.
"A New Low Pressure Single Point Gasoline Injection System" by H. Knapp et al, in SAE impression No. 850 293.
In these publications, the advantages and disadvantages of known injectors with different designs are explained, inter alia in relation to the control and type of injection under low or high fuel pressure. It follows that high pressure injection can offer certain advantages for effective injection under different operating conditions.
The object of the invention is to provide an injector of the type mentioned at the outset, which has a reduced opening and closing time, which achieves intermittent injection of fuel under high pressure in the form of an extremely finely distributed fuel jet with a long range and is precisely controlled by current control can be.
For this purpose, the injector according to the invention is characterized by the features defined in the patent claims.
The invention is explained below using an exemplary embodiment and the accompanying drawing, which schematically shows a partial longitudinal section through an injector according to the invention.
The injector essentially consists of an electromagnetically controlled injection nozzle with a needle valve 1 that closes by means of a tension spring, in operative connection with an electromagnet 2.
The needle valve 1 is arranged in the lower part of the injection nozzle and consists of a valve needle 11 with a spray pin 11A, which is arranged axially in a cylindrical nozzle body 12 with an upper support flange 12A and closes a lower injection opening 13 in a valve seat 13A by spring tension.
The nozzle body 12 is provided with an axial through-hole 12B, which serves as a guide for the valve needle 11 and extends between an upper central recess 12C in the support flange 12A and a lower central cavity 14 in the nozzle body 12. Furthermore, several, for example four, lateral inlet openings 15 are provided in the nozzle body 12, which are connected to the lower central cavity 14 via corresponding longitudinal bores 16 in the nozzle body.
The support flange 12A is also provided with an upper central annular projection 12D which engages in a corresponding central recess in a magnet carrier 23 in order to ensure the centering and axial alignment of the electromagnet 2 with respect to the needle valve 1. The upper end face of the support flange 12A with the shoulder 12D serves as a support surface which, with the interposition of a seal 17 in a corresponding recess on the circumference of the support flange 12A, supports the magnet carrier 23 and at the same time brings it into the correct position.
The upper central recess 12C in the support flange 12A contains a low-friction seal 18 which tightly encloses the upper part of the valve needle 11 and allows the rapid axial movement thereof without any noticeable frictional resistance.
The magnet carrier 23 consists of a support ring 23A with an upper end face 23B and a transverse plate 23C with an axial bore 23D for guiding the valve needle 11 and the lower central recess already mentioned for receiving the shoulder 12B on the upper side of the support flange 12A.
The electromagnet 2 consists of a layered magnetic core 21 in the form of a lamella magnet with a plurality of lamellae made of soft iron, which are arranged next to one another in the longitudinal direction and are firmly connected or glued to one another and thus form a single layered magnet body. Each lamella of the magnetic core 21 is provided in its central region with a longitudinal slot 22 for receiving a magnetic field coil 24 within the magnetic core 21, each lamella having a lateral extension 25 which is arranged in a corresponding recess in an annular magnet holder 26.
The layered electromagnet 2 has a central cavity 27 for receiving a tension spring 28 and is in operative connection with a movable armature 29 which is fixedly connected to a support head 30 at the upper end of the valve needle 11, this support head 30 serving as the lower support for the tension spring 28 serves.
At the upper end of the layered magnetic core 22, a magnetic cover 31 is provided with a lower central projection 31A, which projects into the central cavity 27, its lower end having a recess 31B for receiving the upper end of the tension spring 28 and serving as a counter bearing for the latter.
The magnet arrangement described with the magnetic cover 31 is secured by a clamping ring 32 in the magnet holder 26 and, with the interposition of an O-ring 33, covered with an end cover 34 through which the current connections 35 and 36 for the magnetic field coil 24 pass.
A support jacket 37, which is flanged inwards on the circumference of the support flange 12A and the end cover 34, encloses the injection nozzle and holds the described elements of the same together.
The arrangement of the injector described was carried out rotationally symmetrically about the longitudinal axis X of the injection nozzle, with the lamella magnet 21 being provided with thirty radially arranged soft iron lamellae with a thickness of 0.38 mm and the magnetic field coil 24 with thirty turns of wire with a diameter of 0.5 mm . Furthermore, the valve lift or the air gap between the layered magnetic core 21 and the armature 29 was adjusted to a distance between 0.05 and 0.1 mm by regrinding the end face 23B of the support ring 23A.
In this embodiment of the injector, an opening time of the needle valve 1 of less than 70 microseconds and a closing time of less than 50 microseconds was achieved. In this case, the fuel injection quantity per valve stroke or injection period could be set to values in the range from 5x10 <-> <3> to 50x10 <-> <3> cm <3> by current control of the electromagnet.
The arrangement of the injector according to the invention results in special advantages for fuel injection, which can be explained as follows:
(a) The very high magnetic field strength per unit area, which results from the inventive arrangement of the lamella magnet with the inner magnetic field coil, allows a corresponding reduction in size of the injection nozzle and all moving parts as well as the valve lift, so that the opening and closing times and the response time of the Solenoid valve can be shortened drastically.
(b) The current control of the solenoid valve can therefore be ensured with very high accuracy by current pulses with greatly reduced pulse widths and increased pulse frequencies.
(c) This now makes it possible to achieve several short, precisely controllable, frequency-modulated injections within each intake period, which in themselves ensure an improved distribution and mixing of the injected fuel with the air in the intake duct.
(d) Excellent atomization, distribution and mixing of the fuel also results from the significant reduction in the size of the droplets and the increase in the range of the fuel jet injected into the intake duct due to the fact that the structure of the injector according to the invention is the effective, precisely controllable fuel injection under very high pressure, for example in the range from 30 to 50 bar or even higher.
On the basis of the advantages described above, the injector according to the invention is particularly suitable for multiple injection in high-performance gasoline engines, in which a temporally and locally, precisely controllable allocation of fuel and air is particularly advantageous or required.