DE10063258A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine, umfaßt einen Aktor (10), eine durch den Aktor (10) betätigbare Ventilnadel (3) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und eine Drallscheibe (35), die über mindestens einen Drallkanal (36) verfügt. In einer Ausnehmung (43) eines Düsenkörpers (2) des Brennstoffeinspritzventils (1) ist ein elastischer Zumeßring (37) so angeordnet, daß ein Zumeßquerschnitt des zumindest einen Drallkanals (36) abhängig von einem im Brennstoffeinspritzventil (1) während des Betriebs herrschenden Brennstoffdruck veränderbar ist.

Description

Stand der Technik

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 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 des Brennstoffeinspritzventils einstellbar ist, wodurch ein dem Betriebszustand des Brennstoffeinspritzventils angepaßtes Strahlbild erzeugt werden kann. Dadurch können die Gemischbildung sowie das Brennverfahren optimiert werden.

Die Einflußnahme auf den Strahlöffnungswinkel erfolgt dabei vorteilhafterweise über den Druck des das Brennstoffeinspritzventil durchströmenden Brennstoffs, der durch einen elastischen Zumeßring einen veränderlichen Drosseleffekt gemäß dem Betriebszustand erzeugt und dadurch eine direkte Einflußnahme auf die Drallintensität ermöglicht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Von Vorteil ist dabei insbesondere die einfache und kostengünstige Form des Zumeßrings, der leicht aus einem elastischen Material herstellbar und problemlos in serienmäßige Brennstoffeinspritzventile mit konventioneller Drallaufbereitung einsetzbar ist.

Insbesondere ist dabei die Flexibilität bei der Wahl der Drallscheibe von Vorteil, da das Strahlbild durch eine beliebige Form und Anzahl von Drallkanälen formbar bleibt und trotzdem dem Betriebszustand angepaßt werden kann.

Weiterhin ist von Vorteil, daß die Einstellung des statischen Durchflusses durch das Brennstoffeinspritzventil durch die erfindungsgemäße Maßnahme ebenfalls erfolgen kann, wodurch Streuungen im statischen Durchfluß reduziert werden können, was sich wiederum auf den Brennstoffverbrauch und die Abgaswerte positiv auswirkt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch das abspritzseitige Ende des erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils entlang der Linie II-II in Fig. 1, und

Fig. 3 einen schematischen Ausschnitt im Bereich III in Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bevor anhand der Fig. 2 und 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 näher beschrieben wird, soll zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst anhand von Fig. 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 die 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 eines Magnetkreises abgedichtet. Eine Magnetspule 10 ist in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt, welcher an einem Innenpol 13 des Magnetkreises 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 Führungsscheibe 34 ausgebildet, die für eine mittige Ausrichtung der Ventilnadel 3 sorgt und somit einem Verkanten der Ventilnadel 3 und nachfolgenden Ungenauigkeiten in der zugemessenen Brennstoffmenge entgegenwirkt. Zwischen der Führungsscheibe 34 und dem Ventilsitzkörper 5 ist eine Drallscheibe 35 angeordnet, welche Drallkanäle 36 aufweist. Zwischen der Führungsscheibe 34 und der Drallscheibe 35 einerseits und dem Düsenkörper 2 andererseits ist ein Zumeßring 37 vorgesehen, der vorzugsweise aus einem elastischen Material besteht und der unter dem Einfluß des im Brennstoffeinspritzventil 1 herrschenden Systemdrucks verformbar ist. Eine detaillierte Beschreibung des Zumeßrings ist den Fig. 2 und 3 zu entnehmen.

In der Ventilnadelführung 14 und im Anker 20 verlaufen Brennstoffkanäle 30a und 30b. 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.

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.

Fig. 2 zeigt in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung einen Schnitt entlang der Linie II-II durch das abströmseitige Ende des in Fig. 1 dargestellten Brennstoffeinspritzventils 1. Bereits beschriebene Elemente sind in allen Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.

Der dargestellte Schnitt durch die Ventilnadel 3 und die Drallscheibe 35 zeigt den bereits weiter oben erwähnten Zumeßring 37 in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen des Brennstoffeinspritzventils 1. Die Drallscheibe 35 ist dabei in einer Ebene geschnitten, die zulaufseitig einer zulaufseitigen Stirnseite 38 des Zumeßrings 37 durch das Brennstoffeinspritzventil 1 verläuft. Die Anzahl der Drallkanäle 36 in der Drallscheibe 35 wurde auf vier begrenzt, um die schematisierte Darstellung übersichtlicher zu gestalten. Es sind jedoch auch mehr oder weniger Drallkanäle 36 möglich.

Zwischen der Ventilnadel 3 und der Drallscheibe 35 ist eine Drallkammer 44 ausgebildet, die vorzugsweise so dimensioniert ist, daß die entstehende Drallströmung homogen bleibt. Das Volumen der Drallkammer 44 sollte dabei groß genug sein, um unerwünschte Drosseleffekte zu vermeiden, aber klein genug, um das Totvolumen zu minimieren. Dies ist insbesondere im Vollastbetrieb wichtig, damit die Stöchiometrie der eingespritzten Gemischwolke gewährleistet ist.

Der Zumeßring 37 ist vorzugsweise aus einem elastischen Polymer hergestellt und in Form eines Rings ausgeführt. Er liegt mit einer Außenseite 39 an einer Innenwandung 40 des Düsenkörpers 2 an. Mit einer abströmseitigen Stirnseite 41 stützt er sich auf dem Ventilsitzkörper 5 ab. Zwischen dem Zumeßring 37 und der Drallscheibe 35 ist ein Spalt 42 ausgebildet, dessen radiale Weite abhängig vom Brennstoffdruck während des Betriebs des Brennstoffeinspritzventils 1 bedingt durch die Elastizität des Zumeßrings 37 veränderlich ist.

Im Teillastbereich des Brennstoffeinspritzventils 1 ist der Druck des das Brennstoffeinspritzventil 1 durchströmenden Brennstoffs so bemessen, daß ein Kräftegleichgewicht herrscht, welches gleichmäßig in radialer und axialer Richtung an dem Zumeßring 37 angreift. Der Spalt 42 weist dann seine geringste radiale Ausdehnung auf. Dadurch ist auch der Brennstoffdurchfluß minimal, was zu einer nur geringfügigen Verdrallung des vergleichsweise langsam durch die Drallkanäle 36 strömenden Brennstoffs führt. In der Folge weist auch eine in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzte Gemischwolke nur eine geringfügige Aufweitung, also einen kleinen Strahlöffnungswinkel, auf. Dies entspricht den Anforderungen an die Gemischwolke im Teillastbetrieb.

Wird der Brennstoffdruck erhöht, was dem Vollastbetrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 entspricht, erfährt der Zumeßring 37 bedingt durch eine Verschiebung des in radialer und axialer Richtung wirkenden Kräfteverhältnisses eine Verformung, die die axiale Ausdehnung des Zumeßrings 37 zu- und die radial nach innen gerichtete Ausdehnung abnehmen läßt. Entsprechend erweitert sich der Spalt 42 zwischen dem Zumeßring 37 und der Drallscheibe 35, so daß die drosselnde Wirkung des Spalts 42 abnimmt. In der Folge nimmt die die Drallkanäle 36 durchströmende Brennstoffmenge sowie deren Geschwindigkeit zu, wodurch auch der Drall verstärkt wird. Dadurch kommt es zu einer Aufweitung der in den Brennraum eingespritzten Gemischwolke, die somit einen größeren Strahlöffnungswinkel aufweist und den Brennraum homogen ausfüllt.

In Fig. 2 sind die unterschiedlichen Zustände des elastischen Zumeßrings 37 jeweils durch eine eigene Linie dargestellt. Dabei kennzeichnet die mit 37a bezeichnete Linie den Grundzustand mit einer gleichmäßigen Belastung des Zumeßrings 37 in axialer und radialer Richtung, während die gestrichelte Linie 37b den Zustand des maximalen Drucks und damit der maximalen radialen Weite des Spalts 42 darstellt.

Fig. 3 zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung einen Ausschnitt aus dem in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil 1 im Bereich III in Fig. 1.

Zur Verdeutlichung wurde die Drallscheibe 35 im Bereich eines Drallkanals 36 geschnitten. Der Pfeil bezeichnet die Zuströmrichtung des Brennstoffs. Der unbelastete Zustand des Zumeßrings 37 ist wieder mit 37a, der mit maximalem Druck belastete Zustand mit 37b bezeichnet.

Aus Fig. 3 wird deutlich, daß die radiale Weite des Spalts 42 direkt den Zumeßquerschnitt für die durchströmende Brennstoffmenge bestimmt. Folglich kann gemäß der Kontinuitätsgleichung die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs variiert werden, wodurch eine direkte Eingriffsmöglichkeit zur Anpassung der Drallintensität an den Betriebszustand des Brennstoffeinspritzventils 1 gegeben ist.

Da im Teillastbereich nicht die homogene Verteilung des Brennstoffs im Brennraum, sondern die Penetrationsweite im Vordergrund steht, führt auch eine langsame Drallströmung mit eventuell auftretenden Inhomogenitäten, die durch das Totvolumen der Drallkammer 44 hervorgerufen werden können, zu keiner Beeinträchtigung des Verbrennungsprozesses, während im Vollastbetrieb die Drallströmung einen hohen Grad an Homogenität aufweist und damit die Stöchiometrie der Gemischwolke optimierbar ist.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und insbesondere auch bei Brennstoffeinspritzventilen 1 mit piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktoren 10 und bei beliebigen Konstruktionsvarianten von Brennstoffeinspritzventilen 1 anwendbar.

Claims (11)

1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine, 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 (35), die über mindestens einen Drallkanal (36) verfügt, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastischer Zumeßring (37) so angeordnet ist, daß ein Zumeßquerschnitt des zumindest einen Drallkanals (36) abhängig von einem im Brennstoffeinspritzventil (1) während des Betriebs herrschenden Brennstoffdruck veränderbar ist.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zumeßring (37) mit einer Außenseite (39) an einer Innenwandung (40) eines Düsenkörpers (2) des Brennstoffeinspritzventils (1) anliegt.

3. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zumeßring (37) mit einer abströmseitigen Stirnseite (41) an einem Ventilsitzkörper (5) des Brennstoffeinspritzventils (1) abstützt.

4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zuströmseitig der Drallscheibe (35) eine Führungsscheibe (34) für die Ventilnadel (3) angeordnet und mit dieser verbunden ist.

5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zumeßring (37) die Drallscheibe (35) und die Führungsscheibe (34) radial außen umgibt.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zumeßring (37) und der Drallscheibe (35) ein Spalt (42) ausgebildet ist.

7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den mindestens einen Drallkanal (36) durchströmende Brennstoffmenge proportional zur radialen Weite des Spalts (42) ist.

8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche einer zulaufseitigen Stirnseite (38) des Zumeßrings (37) relativ zu einer von dem Zumeßring (37) eingeschlossenen Fläche so bemessen ist, daß bei einer Zunahme des Brennstoffdrucks die radiale Weite des Spalts (42) zunimmt.

9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den zumindest einen Drallkanal (36) erzeugte Drall proportional zur Durchflußmenge des Brennstoffs ist.

10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlöffnungswinkel einer in den Brennraum eingespritzten Gemischwolke proportional zum Brennstoffdruck ist.

11. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 4 bis dadurch gekennzeichnet, daß die Drallscheibe (35) und die Führungsscheibe (34) einteilig ausgebildet sind.