DE10063259A1 - 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 (34), die über mindestens einen Drallkanal (36) verfügt. Eine elastische Membran (37) ist zulaufseitig der Drallscheibe (34) 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 der Brennkraftmaschine einstellbar ist, wodurch ein dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 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 eine Querschnittsänderung der Drallkanäle durch eine elastische Membran gemäß dem Betriebszustand bewirkt 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 Ausbildung der Membran als scheibenförmige Membran, die zwischen der Drallscheibe und einer Führungsscheibe angeordnet ist. Diese Ausführungsform ist besonders leicht und kostengünstig herstellbar und für beliebige Formen von Drallscheiben anwendbar.

Weiterhin ist von Vorteil, daß die scheibenförmige Membran mit der Außenseite der Führungsscheibe verbunden ist, da dadurch Leckverluste vermieden werden.

Vorteilhafterweise kann die Membran auch als elastische Schicht ausgeführt sein, die an einer beliebigen Seitenfläche des Drallkanals angeordnet sein kann.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind 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 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Drallscheibe des in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoff­ einspritzventils,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Drallkanals der in Fig. 2 dargestellten Drallscheibe, und

Fig. 4A-4B eine schematische Darstellung der Funktionsweise des ersten und eines zweiten Ausführungsbeispiels einer an der Drallscheibe angeordneten Membran.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bevor anhand der Fig. 2 bis 4 Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 näher beschrieben werden, 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 35 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 35 und dem Ventilsitzkörper 5 ist eine Drallscheibe 34 angeordnet, welche Drallkanäle 36 aufweist. Zwischen der Führungsscheibe 35 und der Drallscheibe 34 ist eine Membran 37 vorgesehen, die vorzugsweise aus einem elastischen Material besteht und die unter dem Einfluß des im Brennstoffeinspritzventil 1 herrschenden Systemdrucks verformbar ist. Eine detaillierte Darstellung der Membran 37 und ihrer Funktionsweise ist den Fig. 3 und 4 zu entnehmen.

In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 sowie in der Führungsscheibe 35 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.

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 schematischen Darstellung eine beispielhafte Drallscheibe 34, die die weiter unten beschriebene erfindungsgemäße Membran 37 besonders einfach und effektiv unterstützt. Die Drallscheibe 34 weist dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Drallkanäle 36 auf, die tangential zu einem Mittelpunkt der Drallscheibe 34 versetzt sind. Der Versatz der Drallkanäle 36 sowie ihre radiale Länge, ihre Anzahl und Anordnung sind dabei beliebig. Der Querschnitt der Drallkanäle 36 richtet sich nach dem Brennstoffdruck und den Anforderungen an die Drallintensität und kann durch einfache Veränderungen in der Breite der Drallkanäle 36 bzw. der axialen Dicke der Drallscheibe 34 sowie durch die erfindungsgemäße Membran 37 angepaßt werden.

Die Drallkanäle 36 münden in eine Drallkammer 39 ein, die von der Ventilnadel 3 durchgriffen wird. Die Drallkammer 39 sollte so dimensioniert sein, daß die Drallströmung möglichst homogen bleibt und das Totvolumen so klein wie möglich gehalten wird.

Fig. 3 zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung einen Ausschnitt aus der in Fig. 2 dargestellten Drallscheibe 34 des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 im Bereich III in Fig. 2.

Der in Fig. 3 dargestellte, beispielsweise quaderförmige Drallkanal 36 weist ähnlich einer Deckelplatte als Abschluß die Membran 37 auf, die den Drallkanal 36 abdeckt. Die Membran 37 kann dabei als scheibenförmige Membran 37a zwischen der Drallscheibe 34 und der Führungsscheibe 35 angeordnet sein oder in Form einer elastischen Schicht 37b an einer der Drallscheibe 34 zugewandten Stirnseite der Führungsscheibe 35 ausgebildet sein. Der Pfeil bezeichnet die Strömungsrichtung des Brennstoffs. Die Anordnung der Membran 37 ist dabei nicht auf die Position zwischen der Führungsscheibe 35 und der Drallscheibe 34 beschränkt, sondern kann im Prinzip an jeder der radial verlaufenden Seitenflächen 41 erfolgen. Die scheibenförmige Ausbildung und die Anordnung zwischen der Drallscheibe 34 und der Führungsscheibe 35 ist durch die besonders einfache Form und Anordnungsart als bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt.

Fig. 4A und 4B verdeutlichen die Funktionsweise der scheibenförmigen Membran 37a bzw. der elastischen Schicht 37b. Die Membran 37a bzw. die Schicht 37b ist dabei in der Fig. 4A bzw. 4B jeweils oben dargestellt.

In Fig. 4A ist die Funktionsweise der scheibenförmigen Membran 37a schematisch dargestellt. Der Drallkanal 36 ist dabei in einer seitlichen Schnittansicht entlang der in Fig. 2 angedeuteten Linie IV-IV dargestellt. Die scheibenförmige Membran 37a ist zwischen der Drallscheibe 34 und der Führungsscheibe 35 angeordnet und zur Vermeidung von Leckverlusten mit der Führungsscheibe 35 an einem radial äußeren Rand 40 der Führungsscheibe 35 verklebt oder verschweißt.

Während des Betriebs des Brennstoffeinspritzventils 1 durchströmt Brennstoff den Drallkanal 36 von radial außen nach radial innen. Dabei wird je nach Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs ein unterschiedlich starker hydrodynamischer Druck auf die scheibenförmige Membran 37a erzeugt, der dazu führt, daß diese nach unten gezogen wird und dadurch der Querschnitt des Drallkanals 36 verkleinert wird. Dies wiederum führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs. Der Zustand stabilisiert sich, sobald ein Kräftegleichgewicht erreicht ist.

Strömt der Brennstoff langsam durch einen großen Querschnitt, ist die in der Drallkammer 39 hervorgerufene Drallströmung nur schwach ausgeprägt, wodurch eine in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzte Gemischwolke einen geringen Strahlöffnungswinkel aufweist. Dementsprechend hoch ist die Penetration der Gemischwolke, was den Anforderungen an die Form und Stöchiometrie der Gemischwolke im Teillastbetrieb entspricht.

Wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, was dem Vollastbetrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 entspricht, erfährt die scheibenförmige Membran 37a bedingt durch eine Verschiebung des wirkenden Kräfteverhältnisses eine Verformung, die die axiale Ausdehnung des Drallkanals 36 abnehmen läßt. Entsprechend nimmt in der Folge die Geschwindigkeit des die Drallkanäle 36 durchströmenden Brennstoffs weiter 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 mit einem zündfähigen Gemisch ausfüllt.

Fig. 4B zeigt in gleicher Ansicht wie Fig. 4A die als elastische Schicht 37b ausgeführte Membran 37. Im Gegensatz zu Fig. 4A ist die in Fig. 4B dargestellte elastische Schicht 37b nicht als lose Scheibe zwischen der Drallscheibe 34 und der Führungsscheibe 35 angeordnet, sondern in Form einer an der ablaufseitigen Stirnseite 38 der Führungsscheibe 35 ausgebildeten elastischen Schicht 37b, die in ihrer gesamten Ausdehnung mit der Führungsscheibe 35 verbunden ist, ausgeführt.

Die Funktionsweise ist dementsprechend umgekehrt zu derjenigen des in Fig. 4A dargestellten Ausführungsbeispiels. Steigt nämlich der Brennstoffdruck im Brennstoffeinspritzventil 1 während des Betriebs an, wird die elastische Schicht 37b entgegen der Strömungsrichtung mit in der Folge größeren Querschnitten der Drallkanäle 36 verformt. Dies ist dadurch bedingt, daß die mit der abströmseitigen Stirnseite 38 fest verbundene elastische Schicht 37b bei einer Erhöhung des Brennstoffdrucks verdrängt bzw. zusammengedrückt wird.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und insbesondere auch bei Brennstoffeinspritzventilen 1 mit piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktoren 10 und bei beliebigen Formen von Drallscheiben 34 mit beliebig geformten Drallkanälen 36 anwendbar.

Claims (8)

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 (34), die über mindestens einen Drallkanal (36) verfügt, dadurch gekennzeichnet, daß eine elastische Membran (37) so an der Drallscheibe (34) 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 die Membran (37) zumindest eine Seitenfläche (41) des zumindest einen Drallkanals (36) bildet.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Membran (37) in Form einer scheibenförmigen Membran (37a) ausgeführt ist.

4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmige Membran (37a) zwischen der Drallscheibe (34) und einer zulaufseitig der Drallscheibe (34) angeordneten Führungsscheibe (35) angeordnet ist.

5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmige Membran (37a) zumindest an einem radial äußeren Rand (40) mit der Führungsscheibe (35) verbunden ist.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Querschnitt des zumindest einen Drallkanals (36) bei zunehmendem Brennstoffdruck durch die scheibenförmige Membran (37a) abnimmt.

7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (37) in Form einer elastischen Schicht (37b) ausgebildet ist.

8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Querschnitt des zumindest einen Drallkanals (36) bei zunehmendem Brennstoffdruck durch die elastische Schicht (37a) zunimmt.