DE10004960A1 - Brennstoffeinspritzventil und Verfahren zu dessen Betätigung - Google Patents

Brennstoffeinspritzventil und Verfahren zu dessen Betätigung

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Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere ein Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, umfaßt eine mit einem ersten Anker (9) zusammenwirkende erste Magnetspule (5), eine mit dem ersten Anker (9) kraftschlüssig in Verbindung stehende Ventilnadel (13) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (14), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (15) einen Dichtsitz bildet, und eine zweite Magnetspule (6). Dabei wird der erste Anker (9) in einer Schließrichtung von einer ersten Rückstellfeder (11) beaufschlagt. Ein zweiter Anker (10) wirkt mit der zweiten Magnetspule (6) so zusammen, daß bei Bestromen der ersten Magnetspule (5) und der zweiten Magnetspule (6) ein mit der Ventilnadel (13) verbundener Anschlagkörper (18) an dem zweiten Anker (10) anschlägt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. von einem Verfahren zum Betätigen eines Brennstoffeinspritzventils nach der Gattung des Anspruchs 9.
Die Schließzeiten von Brennstoffeinspritzventilen werden durch Adhäsionskräfte zwischen Anker und Kern einerseits und durch Wirbelströme andererseits verlängert. Zur Verringerung der Verzögerung ist es bekannt, bei Beendigung des das Brennstoffeinspritzventil erregenden Stromimpulses einen Strom in umgekehrter Richtung durch die Magnetspule fließen zu lassen, um den Abbau des Restfeldes zu beschleunigen. Die Konstruktion entsprechender Steuerelemente ist schwierig und führt auch lediglich zu geringfügigen Verkürzungen der Schließzeit.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein Magnetfeld zum Öffnen des Brennstoffeinspritzventils und ein zweites Magnetfeld zum Halten des Brennstoffeinspritzventils in seiner geöffneten Stellung aufzubauen. Die Stärke des Haltefeldes kann dann so klein gewählt werden, daß die Wirbelströme nach Abschalten des Haltefeldes klein sind.
Aus der DE 23 06 007 C3 ist ein elektromagnetisch betätigbares Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Brennstoff in eine Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem die Magnetspule drei Wicklungen aufweist, welche von drei getrennten Schaltkreisen angesteuert werden. Dabei dient der erste Schaltkreis zum schnellen Öffnen des Brennstoffeinspritzventils, der zweite Schaltkreis zum Offenhalten des Brennstoffeinspritzventils und der dritte zum Erzeugen eines das Restmagnetfeld löschenden Gegenfeldes zum schnellen Schließen des Brennstoffeinspritzventils.
Nachteilig an dem aus der DE 23 06 007 C3 bekannten Brennstoffeinspritzventil ist, daß die Herstellung einer Anordnung mit drei Schaltkreisen, die die drei Wicklungen der Magnetspule ansteuern, sehr aufwendig ist.
Die abgespritzte Brennstoffmenge pro Zeiteinheit ist zudem immer gleich groß, so daß die Zumessung kleinerer Brennstoffmengen im niederen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine über eine erheblich verkürzte Schließzeit und damit über stärkere Rückstellfedern und zwangsläufig erhöhte Ansteuerleistungen der Magnetspulen realisiert werden muß. Dies belastet die elektrischen Komponenten.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 haben demgegenüber den Vorteil, daß die zugemessene Brennstoffmenge pro Zeiteinheit drehzahlabhängig umgeschaltet werden kann, da über das wechselweise Bestromen zweier Magnetspulen, welche mit zwei Ankern zusammenwirken, zwei Schaltstellungen, die wahlweise einzeln angesteuert werden können, zur Verfügung stehen.
Vorteilhaft für die Öffnungsdynamik ist dabei insbesondere das Anbringen eines Anschlagkörpers, welcher je nach Bestromung der Magnetspulen entweder den zweiten Anker in Öffnungsrichtung mitnimmt oder an dem ortsfest gehaltenen zweiten Anker anschlägt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Von Vorteil ist insbesondere die durch das aktive Rückschalten des Brennstoffeinspritzventils aus dem geöffneten in den geschlossenen Zustand bedingte hohe Schließdynamik, welche sehr kurze Schließzeiten aus beiden Schaltstellungen ermöglicht.
Durch die passende Dimensionierung der beiden Arbeitsspalte kann das Brennstoffeinspritzventil für jede Schaltstellung die gewünschte Strahlcharakteristik erhalten.
Die erste Schaltstellung mit kleinem Öffnungsquerschnitt ist insbesondere im unteren Drehzahlbereich von Vorteil, da kleine Brennstoffmengen zugemessen werden können.
Von Vorteil ist auch die Möglichkeit, aus der unteren Schaltstellung direkt in die obere Schaltstellung umschalten zu können.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils in einer Schnittdarstellung und
Fig. 2 ein Diagramm des Bestromungszustandes der Magnetspulen für die Schaltstellungen des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils sowie den jeweils entsprechenden Hub der Ventilnadel als Funktion der Zeit.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Fig. 1 zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung den abspritzseitigen Teil eines Brennstoffeinspritzventils 1. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht weiter dargestellten Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine geeignet.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt einen Kern 2 und einen Düsenkörper 3, welche von einem Ventilgehäuse 4 umgeben sind. Eine erste Magnetspule 5 und eine zweite Magnetspule 6 sind am Ventilgehäuse 4 angeordnet und von einem ersten magnetischen Rückflußkörper 7 bzw. einem zweiten magnetischen Rückflußkörper 8 umgeben. Zwischen dem Kern 2 und dem Düsenkörper 3 sind ein erster Anker 9 und ein zweiter Anker 10 angeordnet, welche mit den Magnetspulen 5 und 6 zusammenwirken. Der erste Anker 9 wird durch eine erste Rückstellfeder 11 in Schließrichtung beaufschlagt, während der zweite Anker 10 im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 auf dem Düsenkörper 3 aufliegt. Zwischen dem ersten Anker 9 und dem zweiten Anker 10 ist eine zweite Rückstellfeder 12 eingespannt, welche den zweiten Anker 10 in Schließrichtung beaufschlagt. Die Federkraft der ersten Rückstellfeder 11 ist erheblich größer als die Federkraft der zweiten Rückstellfeder 12.
Mit dem ersten Anker 9 ist eine Ventilnadel 13 verbunden, welche an ihrem abspritzseitigen Ende einen Ventilschließkörper 14 aufweist. Der Ventilschließkörper 14 bildet zusammen mit einer Ventilsitzfläche 15 einen Dichtsitz und wird durch die erste Rückstellfeder 11 auf der Ventilsitzfläche 15 eines Ventilsitzkörpers 16 in dichtender Anlage gehalten. In dem Ventilsitzkörper 16 ist mindestens eine Abspritzöffnung 17 ausgebildet.
An der Ventilnadel 13 ist ein hülsenförmiger Anschlagkörper 18 formschlüssig angebracht. Zwischen dem ersten Anker 9 und dem Kern 2 ist ein erster Arbeitsspalt 19 ausgebildet. Zwischen dem zweiten Anker 10 und dem Anschlagkörper 18 ist ein zweiter Arbeitsspalt 20 ausgebildet. Dabei ist der erste Arbeitsspalt 19 größer als der zweite Arbeitsspalt 20 bemessen.
Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 23 und Brennstoffkanäle 21a, 21b in den Ankern 9 und 10 sowie durch eine zentrale Ausnehmung 22 des Düsenkörpers 3 zum Dichtsitz geführt.
Wird der ersten Magnetspule 5 ein Erregerstrom zugeführt, bewegt sich der erste Anker 9 mit der mit ihm verbundenen Ventilnadel 13 in Öffnungsrichtung. Der Ventilschließkörper 14 hebt von der Ventilsitzfläche 15 ab. Bleibt die zweite Magnetspule 6 unbestromt, so durchläuft der erste Anker 9 einen Hub, welcher der axialen Erstreckung des ersten Arbeitsspalts 19 entspricht. Dabei wird zunächst der erste Anker 9 mit der Ventilnadel 13 und dem daran befestigten Anschlagkörper 18 in Öffnungsrichtung bewegt, bis der Anschlagkörper 18 am zweiten Anker 10 anschlägt. Da der zweite Anker 10 gegen die Kraft der zweiten Rückstellfeder 12 verschiebbar ist, wird er durch die Bewegung der Ventilnadel 13 über den Anschlagkörper 18 in Öffnungsrichtung mitbewegt. Nach Schließen des ersten Arbeitsspaltes 19 ist eine obere Schaltstellung erreicht. Der Brennstoff wird über die Abspritzöffnung 17 in den Brennraum abgespritzt.
Bei niedrigeren Drehzahlen der Brennkraftmaschine wird das Brennstoffeinspritzventil 1 nicht bis in die obere Schaltstellung geöffnet, sondern nur in einer untere Schaltstellung. Der Hubweg entspricht dann der axialen Größe des zweiten Arbeitsspaltes 20. Dazu wird zunächst die zweite Magnetspule 6 bestromt. Dies bewirkt, daß der zweite Anker 10 in Anlage am Düsenkörper 3 gehalten wird. Wird nun die erste Magnetspule 5 bestromt, bewegt sich der erste Anker 9 mit der daran befestigten Ventilnadel 13 solange in Öffnungsrichtung, bis der Anschlagkörper 18 am zweiten Anker 10 anschlägt. Da die zweite Magnetspule 6 bestromt ist und den zweiten Anker 10 am Düsenkörper 3 hält, wird das Brennstoffeinspritzventil 1 nur bis zur unteren Schaltstellung geöffnet. Dadurch kann eine kleinere Brennstoffmenge zugemessen werden, welche zudem über eine andere Strahlcharakteristik, z. B. eine andere Winkelverteilung, verfügt.
Zum Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1 aus der oberen Schaltstellung werden beide Magnetspulen 5 und 6 bestromt. Wenn der die erste Magnetspule 5 erregende Strom abgeschaltet wird, wirkt sowohl die Kraft der ersten Rückstellfeder 11 als auch die Magnetkraft der zweiten Magnetspule 6 in Schließrichtung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 wird dadurch aktiv aus dem geöffneten in den geschlossenen Zustand geschaltet.
Wird der Erregerstrom der ersten Magnetspule 5 abgeschaltet, wird der erste Anker 9 mit der mit ihm verbundenen Ventilnadel 13 sowie der zweite Anker 10 durch die Rückstellkraft der ersten Rückstellfeder 11 aus der oberen Schaltstellung in Schließrichtung beschleunigt, wobei die Magnetkraft der zweiten Magnetspule 6 den zweiten Anker 10 aktiv in Schließrichtung zieht. Durch das Zusammenwirken der verschiedenen Kräfte und die Tatsache, daß die erste Rückstellfeder 11 nur den ersten Anker 9 und die Ventilnadel 13, nicht jedoch den zweiten Anker 10 in Schließrichtung beschleunigen muß, werden kurze Schließzeiten erzielt.
Das Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1 aus der unteren Schaltstellung erfolgt ebenfalls durch Ausschalten des die erste Magnetspule 5 erregenden Stromes. Da der zweite Anker 10 am Düsenkörper 3 durch die bestromte zweite Magnetspule 6 in Anlage gehalten wird, muß lediglich der erste Anker 9 mit der Ventilnadel 13 in Schließrichtung beschleunigt werden. Hier bewirkt die Rückstellkraft der ersten Rückstellfeder 11 das Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1. Durch den geringen Hub kann der Ventilschließkörper 14 schnell in die Ausgangslage zurückgestellt werden, was ebenfalls kurze Schließzeiten zur Folge hat.
Fig. 2 zeigt zur Verdeutlichung der Schaltvorgänge den bestromten und unbestromten Zustand der ersten Magnetspule 5 und der zweiten Magnetspule 6 in Verbindung mit einem Diagramm, welches den Ventilhub h als Funktion der Zeit t zeigt. Der elektrische Strom durch die erste Magnetspule 5 ist mit I1 und der elektrische Strom durch die zweite Magnetspule 6 ist mit I2 bezeichnet. Im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine, wenn nur eine kleine Brennstoffmenge zugemessen werden soll, wird das Brennstoffeinspritzventil 1 in die untere Schaltstellung geschaltet. Dazu wird zunächst die zweite Magnetspule 6, welche den zweiten Anker 10 am Düsenkörper 3 hält, bestromt. Dadurch kann bei Bestromen der ersten Magnetspule 5 der erste Anker 9 mit der daran befestigten Ventilnadel 13 nur so weit angehoben werden, bis der Anschlagkörper 18 am zweiten Anker 10 anschlägt. Das Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1 aus der unteren Schaltstellung erfolgt durch das Abschalten des die erste Magnetspule 5 erregenden Stromes 11 (Diagramm links).
Soll die obere Schaltstellung angesteuert werden, bleibt die zweite Magnetspule 6 unbestromt, während die erste Magnetspule 5 erregt wird. Dadurch kann der erste Anker 9 die Ventilnadel 13 so weit anheben, bis der erste Anker 9 am Kern 2 anschlägt und der erste Arbeitsspalt 19 geschlossen ist. Zum Beenden des Öffnungsvorgangs wird auch die zweite Magnetspule 6 bestromt. Der erste Anker 9 mit der daran befestigten Ventilnadel 13 wird jedoch noch am Kern 2 gehalten. Wird nun der die erste Magnetspule 5 erregende Strom 11 abgeschaltet, baut sich das Magnetfeld der ersten Magnetspule 5 ab, und der erste Anker 9 fällt vom Kern 2 ab. Der erste Anker 9 wird durch die Rückstellkraft der ersten Rückstellfeder 11 und durch die Magnetkraft der zweiten Magnetspule 6 in die Schließposition zurückgeschaltet. Der Schließvorgang kann somit erheblich schneller ablaufen, da zu der Rückstellkraft der ersten Rückstellfeder 11 noch die Magnetkraft der zweiten Magnetspule 6 für den Schließvorgang zur Verfügung steht (Diagramm rechts).
Soll das Brennstoffeinspritzventil 1 zuerst in die untere Schaltstellung und dann in die obere Schaltstellung geschaltet werden, werden die Magnetspulen 5 und 6 folgendermaßen bestromt: zunächst wird die zweite Magnetspule 6 erregt, um den zweiten Anker 10 am Düsenkörper 3 zu halten. Wird nun die erste Magnetspule 5 bestromt, bewegt sich der erste Anker 9 mit der Ventilnadel 13 solange in Hubrichtung, bis der Anschlagkörper 18 am zweiten Anker 10 anschlägt. Damit ist die erste, stabile Schaltstellung erreicht. Die erste Magnetspule 5 und die zweite Magnetspule 6 sind bestromt. Um aus der unteren, ersten Schaltstellung in die obere, zweite Schaltstellung zu schalten, wird der die zweite Magnetspule 6 erregende Strom 12 ausgeschaltet. Dadurch wird das Magnetfeld, welches den zweiten Anker 10 am Düsenkörper 3 hält, abgebaut, wodurch der erste Anker 9 unter Mitnahme des zweiten Ankers 10 weiter in das Magnetfeld der ersten Magnetspule 5 hineingezogen werden kann, bis der erste Arbeitsspalt 19 geschlossen ist. Wenn die obere Schaltstellung erreicht ist, ist lediglich die erste Magnetspule 5 bestromt.
Zum Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1 wird nun wieder die zweite Magnetspule 6 bestromt. Nach genügendem Aufbau des Magnetfeldes der zweiten Magnetspule 6 wird die erste Magnetspule 5 abgeschaltet. Dadurch kehrt das Brenn­ stoffeinspritzventil 1 in die Ausgangsstellung zurück (Diagramm Mitte).
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und auch bei einer Vielzahl anderer Bauweisen von Brennstoffeinspritzventilen 1 realisierbar.

Claims (11)

1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer mit einem ersten Anker (9) zusammenwirkenden ersten Magnetspule (5), einer mit dem ersten Anker (9) kraftschlüssig in Verbindung stehenden Ventilnadel (13) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (14), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (15) einen Dichtsitz bildet, und einer zweiten Magnetspule (6), wobei der erste Anker (9) in einer Schließrichtung von einer ersten Rückstellfeder (11) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Anker (10) mit der zweiten Magnetspule (6) so zusammenwirkt, daß bei Bestromen der ersten Magnetspule (5) und der zweiten Magnetspule (6) ein mit der Ventilnadel (13) verbundener Anschlagkörper (18) an dem zweiten Anker (10) anschlägt.
2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen dem ersten Anker (9) und dem zweiten Anker (10) eingespannte zweite Rückstellfeder (12) den zweiten Anker (10) in Schließrichtung beaufschlagt.
3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft der zweiten Rückstellfeder (12) wesentlich kleiner als die Federkraft der ersten Rückstellfeder (11) ist.
4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Kern (2) und dem erstem Anker (9) ein erster Arbeitsspalt (19) und zwischen dem Anschlagkörper (18) und dem zweiten Anker (10) ein zweiter Arbeitsspalt (20) ausgebildet ist, wobei der erste Arbeitsspalt (19) größer als der zweite Arbeitsspalt (20) ist.
5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffeinspritzventil (1) durch Schließen des zweiten Arbeitsspalts (20) infolge eines Bestromens der ersten Magnetspule (5) und der zweiten Magnetspule (6) in eine erste Schaltstellung mit einem ersten Öffnungsquerschnitt schaltbar ist.
6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffeinspritzventil (1) durch Schließen des ersten Arbeitsspalts (19) infolge eines Bestromens nur der ersten Magnetspule (5) in eine zweite Schaltstellung mit einem zweiten Öffnungsquerschnitt schaltbar ist.
7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Öffnungsquerschnitt kleiner als der zweite Öffnungsquerschnitt ist.
8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffeinspritzventil (1) in der zweiten Schaltstellung einen Brennstoffstrahl abspritzt, dessen Strahlbild sich von dem Strahlbild des in der ersten Schaltstellung abgespritzten Brennstoffstrahls unterscheidet.
9. Verfahren zum Betätigen eines Brennstoffeinspritzventils (1), insbesondere eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer mit einem ersten Anker (9) zusammenwirkenden ersten Magnetspule (5), einer mit dem ersten Anker (9) kraftschlüssig in Verbindung stehenden Ventilnadel (13) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (14), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (15) einen Dichtsitz bildet, und einer zweiten Magnetspule (6), wobei der erste Anker (9) in einer Schließrichtung von einer ersten Rückstellfeder (11) beaufschlagt wird, und einem zweiten Anker (10), der mit der zweiten Magnetspule (6) so zusammenwirkt, daß bei Bestromen der ersten Magnetspule (5) und der zweiten Magnetspule (6) ein mit der Ventilnadel (13) verbundener Anschlagkörper (18) an dem zweiten Anker (10) anschlägt,
mit folgenden Verfahrensschritten:
  • - Schalten des Brennstoffeinspritzventils (1) durch gemeinsames Bestromen der ersten Magnetspule (5) und der zweiten Magnetspule (6) in eine erste Schaltstellung mit einem ersten Öffnungsquerschnitt, oder
  • - Schalten des Brennstoffeinspritzventils (1) durch Bestromen nur der ersten Magnetspule (5) in eine zweite Schaltstellung mit einem gegenüber dem ersten Öffnungsquerschnitt größeren zweiten Öffnungsquerschnitt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffeinspritzventil (1) aus der ersten Schaltstellung durch Abschalten des die zweite Magnetspule (6) erregenden Stromes in die zweite Schaltstellung geschaltet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffeinspritzventil (1) durch Bestromen der in Schließrichtung wirkenden zweiten Magnetspule (6) und Abschalten des die erste Magnetspule (5) erregenden Stromes aus der zweiten Schaltstellung in eine Schließstellung geschaltet wird.
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