DE10063260A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, umfaßt einen Aktor (27), eine durch den Aktor (27) betätigbare Ventilnadel (3) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und eine Drallvorrichtung (15), die zumindest einen Drallkanal (18) aufweist, der von Brennstoff mit einer Tangentialkomponente bezüglich einer Längsachse (26) des Brennstoffeinspritzventils (1) durchströmt wird. Die axiale Stellung einer mit der Ventilnadel (3) in Wirkverbindung stehenden Umgehungsscheibe (17) bestimmt einen Querschnitt von zumindest einem Umgehungskanal (19), der den zumindest einen Drallkanal (18) ohne Tangentialkomponente umgeht.

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 α 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.

Von Vorteil ist insbesondere der einfache Aufbau der drallerzeugenden Komponenten, die gegenüber der herkömmlichen Drallaufbereitung lediglich um eine einfach herstellbare Umgehungsscheibe, die mit der Ventilnadel verbindbar ist, erweitert werden.

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

Von Vorteil ist insbesondere die Möglichkeit, die erfindungsgemäßen Maßnahmen mit Brennstoffeinspritzventilen mit mehrstufigem Hub zu kombinieren und den verschiedenen Hubstellungen einen unterschiedlich starken Drall zuzuordnen.

Andererseits ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen auch in einem Brennstoffeinspritzventil mit kontinuierlichem Hub vorteilhaft anwendbar, da durch eine geeignete Geometrie der Drallkanäle ebenfalls auf einfache Weise die gewünschte Modellierung der Gemischwolke erfolgen kann.

Von Vorteil ist auch die Ausbildung einer Drallkammer, in der die die Drallkanäle durchströmenden Brennstoffanteile mit denjenigen aus dem Umgehungskanal gemischt werden können, um so die Gemischwolke den Anforderungen gemäß dem aktuellen Betriebszustand zu beeinflussen.

Insbesondere ist dabei die Ausbildung eines Mitnehmers sowie die Trennung der Umgehungsscheibe von der Ventilnadel von Vorteil, da der Öffnungsvorgang des Brennstoffeinspritzventils nicht durch das Anheben der Umgehungsscheibe beeinflußt wird und die Ventilnadel zunächst einen ungestörten Teilhub durchläuft, bis der Mitnehmer an der Umgehungsscheibe anschlägt.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

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

Fig. 2A einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich II in Fig. 1, wobei das Brennstoffeinspritzventil in geschlossenem Zustand dargestellt ist,

Fig. 2B einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich II in Fig. 1, wobei das Brennstoffeinspritzventil in geöffnetem Zustand dargestellt ist,

Fig. 3A in gleicher Darstellung wie in Fig. 2A ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils, wobei das Brennstoffeinspritzventil in geschlossenem Zustand dargestellt ist, und

Fig. 3B in gleicher Darstellung wie in Fig. 2B ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils, wobei das Brennstoffeinspritzventil in geöffnetem Zustand dargestellt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ein in Fig. 1 dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 dient insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer fremdgezündeten, gemischverdichtenden Brennkraftmaschine.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt eine Magnetspule 8 als Aktor 27, die in einem Spulengehäuse 9 gekapselt ist, einen rohrförmigen Innenpol 11 und einen hülsenförmigen Außenpol 14, welcher mit einem Düsenkörper 2 verschweißt ist. Ein Anker 12 steht in Wirkverbindung mit einer Ventilnadel 3, welche in Abspritzrichtung zu einem Ventilschließkörper 4 ausgebildet ist. Der Ventilschließkörper 4 bildet mit einer Ventilsitzfläche 6, welche an einem Ventilsitzkörper 5 ausgebildet ist, einen Dichtsitz. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1. Im Ventilsitzkörper 5 ist mindestens eine Abspritzöffnung 7 ausgebildet.

Zuströmseitig des Dichtsitzes ist eine Drallvorrichtung 15 vorgesehen, welche eine Führungsscheibe 16, eine Umgehungsscheibe 17 und Drallkanäle 18 umfaßt. Die Drallvorrichtung 15 wird in der Beschreibung der Fig. 2A und 2B näher erläutert.

Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 12 von der Rückstellfeder 10 entgegen einer Hubrichtung so beaufschlagt, daß der Ventilschließkörper 4 an der Ventilsitzfläche 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 8 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 12 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 10 in Hubrichtung bewegt. Der Anker 12 nimmt die Ventilnadel 3 ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 im Ausführungsbeispiel einstückig ausgebildete Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab, wodurch auch die durch eine Schweißnaht 21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 verbundene Umgehungsscheibe 17 in Hubrichtung bewegt und damit ein Umgehungskanal 19 (Bypass) geöffnet wird. Brennstoff wird durch Durchströmöffnungen 20 in der Führungsscheibe 16 sowie durch den Umgehungskanal 19 und die Drallkanäle 18 am Dichtsitz vorbei in die wenigstens eine Abspritzöffnung 7 geleitet. Eine detaillierte Darstellung des Vorgangs ist den Fig. 2A und 2B zu entnehmen.

Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 12 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch die Kraft der Rückstellfeder 10 vom Innenpol 11 ab, wodurch sich die mit dem Anker 12 in Wirkverbindung stehende Ventilnadel 3 entgegen der Hubrichtung bewegt, die Umgehungsscheibe 17 den Umgehungskanal 19 verschließt, der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.

Fig. 2A zeigt in einer auszugsweisen, schematischen axialen Schnittdarstellung das erfindungsgemäß ausgestaltete Brennstoffeinspritzventil 1 in geschlossenem Zustand im Bereich II in Fig. 1. Es werden in der vergrößerten Darstellung nur diejenigen Komponenten gezeigt, die in Bezug auf die Erfindung von wesentlicher Bedeutung sind. Die Ausgestaltung der übrigen Komponenten kann mit einem bekannten Brennstoffeinspritzventil 1 identisch sein. Bereits beschriebene Elemente sind in allen Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen, so daß sich eine wiederholende Beschreibung erübrigt.

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 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 großer Öffnungswinkel α und damit eine nahezu homogene Füllung des Zylinders mit zündfähigem Gemisch erforderlich ist.

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 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 Erfindung ist insbesondere in Verbindung mit einem Brennstoffeinspritzventil 1 mit mehrstufigem Hub oder piezoelektrischen Aktoren 27 vorteilhaft anwendbar.

Die in Fig. 1 angedeutete Drallvorrichtung 15 mit einem Umgehungskanal 19 sieht dabei vor, den Brennstoffdurchfluß durch die Drallvorrichtung 15 abhängig vom Hub der Ventilnadel 3 des Brennstoffeinspritzventils 1 zu gestalten. Im geschlossenen Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1 ist, wie in Fig. 2A ersichtlich, der Umgehungskanal 19 geschlossen, und der Brennstoff kann ausschließlich durch die Drallkanäle 18 strömen.

Fig. 2B zeigt in gleicher Darstellung wie Fig. 2A das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 in geöffnetem Zustand.

Wird der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Magnetspule 8 ausgeführte Aktor 27 betätigt, wird die Ventilnadel 3 in einer Hubrichtung entgegen der Strömungsrichtung des Brennstoffs angehoben, wodurch die mit der Ventilnadel 3 über eine Schweißnaht 21 verbundene Umgehungsscheibe 17 ebenfalls in Hubrichtung bewegt wird. Dadurch wird der Umgehungskanal 19 freigegeben, wobei die Menge des durchströmenden Brennstoffs von der axialen Stellung der Ventilnadel 3 bzw. dem Abstand der Umgehungsscheibe 17 von einer zulaufseitigen Seite 22 der Drallkanäle 18 abhängt. Der Brennstoff fließt dabei über Durchströmöffnungen 20 in der Führungsscheibe 16 zum Umgehungskanal 19.

Während die Strömung in den Drallkanälen 18 eine tangentiale Komponente in Bezug auf eine Längsachse 26 des Brennstoffeinspritzventils 1 hat, besteht für die Strömung in dem Umgehungskanal 19 keine tangentiale, sondern nur eine radiale Komponente.

Da der durch den Umgehungskanal 19 strömende Brennstoffanteil in einer Drallkammer 23 mit demjenigen Anteil des Brennstoffs, der durch die Drallkanäle 18 strömt, wieder zusammengeführt wird, entsteht eine Gemischwolke, die verdrallte und unverdrallte Anteile enthält. Dadurch kann bei geeigneter Geometrie der drallerzeugenden Komponenten eine Gemischwolke, die die dem Betriebszustand des Brennstoffeinspritzventils 1 angemessenen Eigenschaften aufweist, erzeugt werden.

Fig. 3A und 3B stellen ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 in der gleichen Ansicht wie Fig. 2A und 2B dar.

Im Unterschied zum ersten, in Fig. 2A und 2B dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Umgehungsscheibe 17 im vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel nicht mit der Ventilnadel 3 durch eine Schweißnaht 21 oder durch Aufpressen verbunden, sondern ist auf die Ventilnadel 3 axial beweglich aufgesteckt.

Die Ventilnadel 3 weist einen Mitnehmer 24 auf, der über eine Schweißnaht 25 oder durch Aufpressen etc. mit der Ventilnadel 3 formschlüssig verbunden ist. Diese Ausführung ist insbesondere mit Brennstoffeinspritzventilen 1 mit zweistufigem Hub vorteilhaft anwendbar.

Ist das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen, herrschen dieselben Bedingungen wie in dem in Fig. 2A dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil 1. Der Umgehungskanal 19 ist geschlossen, der Brennstoff strömt ausschließlich durch die Drallkanäle 18, wie in Fig. 3A ersichtlich.

Wird das Brennstoffeinspritzventil 1 in eine erste Hubstellung geschaltet, durchläuft die Ventilnadel 3 einen Teilhub, der beispielsweise nur mit einer geringfügigen Anhebung der Umgehungsscheibe 17 über den Mitnehmer 24 oder sogar ohne Anhebung der Umgehungsscheibe 17 einhergeht, weshalb der Brennstoff nach dem Dichtsitz eine große tangentiale Drallkomponente aufweist.

Wird das Brennstoffeinspritzventil 1 in eine zweite Hubstellung geschaltet, die einem größeren Hub entspricht, strömt mehr Brennstoff durch den weiter geöffneten Umgehungskanal 19, da der Mitnehmer 24 die Umgehungsscheibe 17 weiter angehoben hat. Dadurch verschiebt sich das mengenmäßige Verhältnis von verdralltem zu unverdralltem Brennstoff, da mehr Brennstoff durch den Umgehungskanal 19 als durch die Drallkanäle 18 strömt. In der Folge sinkt der Öffnungswinkel α der eingespritzten Gemischwolke, während die Penetration ansteigt.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und ist insbesondere bei Brennstoffeinspritzventilen 1 mit mehrstufigem Hub, bei Brennstoffeinspritzventilen 1 mit piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktoren 27 und bei beliebigen Konstruktionsvarianten von Brennstoffeinspritzventilen 1 realisierbar.

Claims (9)

1. Brennstoffeinspritzventil (1) für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem Aktor (27), einer durch den Aktor (27) betätigbaren Ventilnadel (3) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und einer Drallvorrichtung (15), die zumindest einen Drallkanal (18) aufweist, der von Brennstoff mit einer Tangentialkomponente bezüglich einer Längsachse (26) des Brennstoffeinspritzventils (1) durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Stellung einer mit der Ventilnadel (3) in Wirkverbindung stehenden Umgehungsscheibe (17) einen Querschnitt von zumindest einem Umgehungskanal (19) bestimmt, der den zumindest einen Drallkanal (18) ohne Tangentialkomponente umgeht.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgehungsscheibe (17) in einer Geschlossen-Stellung des Brennstoffeinspritzventils (1) an einer zulaufseitigen Seite (22) des zumindest einen Drallkanals (18) anliegt.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Offen-Stellung des Brennstoffeinspritzventils (1) ein Umgehungskanal (19) zwischen der Umgehungsscheibe (17) und dem zumindest einen Drallkanal (18) ausgebildet ist.

4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (3) eine Führungsscheibe (16), in der mindestens eine Durchströmöffnung (20) ausgebildet ist, durchgreift.

5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Drallkammer (23) zwischen der Ventilnadel (3), der Umgehungsscheibe (17) und dem Ventilsitzkörper (5) ausgebildet ist.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Drallkanal (18) in die Drallkammer (23) einmündet.

7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgehungskanal (19) in die Drallkammer (23) einmündet.

8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgehungsscheibe (17) axial verschiebbar an der Ventilnadel (3) angeordnet ist.

9. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mitnehmer (24) kraftschlüssig mit der Ventilnadel (3) verbunden ist, der nach Durchlaufen eines Teilhubs an der Umgehungsscheibe (17) anschlägt und die Umgehungsscheibe (17) dadurch in Hubrichtung anhebt.