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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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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.
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Die
DE 198 12 092 A1 offenbart
eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem Kraftstoffverwirbelungselement
in Schichtstruktur. Dieses Element erzeugt an einem von der Einspritzbohrung
weiter entfernten Stelle eine große Verwirbelungskraft auf die
Brennstoffflüssigkeit
und an einer von der Einspritzbohrung nahen Stelle eine kleine Verwirbelungskraft.
Dies erzeugt einen komplexen stabilen kegelförmigen Sprühstrahl mit verbesserten Dispersionseigenschaften.
Tröpfchen
mit kleinem Durchmesser werden am äußeren Umfang erzeugt. Der Sprühstrahl
ist durch einen Mittelabschnitt gekennzeichnet, der eine große Geschwindigkeit
besitzt. Dies führt
bei einem Direkteinspritzungsbenzinmotor zu einer guten Zündempfindlichkeit
und zu einer Reduzierung der Ausstoßmenge unverbrannter Abgase.
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Die
JP 60142051 AA offenbart
ein Brennstoffeinspritzventil wobei die Verschluß- oder Einlaßnadel eine
mehrfach abgeschrägte
oder konische Spitze aufweist. In einem konischen Hauptbereich der Spitze
befindet sich eine nahezu 180°,
den Konus umlaufende geschwungene Nut. Diese verleiht dem Kraftstoff
je nach Betriebseinstellung der Brennkraftmaschine einen mehr oder
weniger großen
Drall. Das Einlaßventil öffnet sich
dabei durch den Druck des Kraftstoffes, der die Spitze anhebt und
den Kraftstoff in die Brennstoffkammer einlässt. Die Ablenkung geschieht
dabei durch das an die Spitze angrenzende Düsenmundstück.
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Nachteilig
bei dem aus der obengenannten Druckschrift bekannten Brennstoffeinspritzventilen 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.
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Vorteile der
Erfindung
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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.
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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.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
axialen Teilschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils,
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2A einen
vergrößerten Ausschnitt
im Bereich II in 1, wobei das Brennstoffeinspritzventil
in geschlossenem Zustand dargestellt ist,
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2B einen
vergrößerten Ausschnitt
im Bereich II in 1, wobei das Brennstoffeinspritzventil
in geöffnetem
Zustand dargestellt ist,
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3A in
gleicher Darstellung wie in 2A ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils,
wobei das Brennstoffeinspritzventil in geschlossenem Zustand dargestellt
ist, und
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3B in
gleicher Darstellung wie in 2B ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils,
wobei das Brennstoffeinspritzventil in geöffnetem Zustand dargestellt ist.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Ein
in 1 dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 dient
insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum
einer fremdgezündeten,
gemischverdichtenden Brennkraftmaschine.
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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.
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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 2A und 2B näher erläutert.
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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 2A und 2B zu
entnehmen.
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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.
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2A zeigt
in einer auszugsweisen, schematischen axialen Schnittdarstellung
das erfindungsgemäß ausgestaltete
Brennstoffeinspritzventil 1 in geschlossenem Zustand im
Bereich II in 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.
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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.
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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.
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Die
in 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 2A ersichtlich,
der Umgehungskanal 19 geschlossen, und der Brennstoff kann
ausschließlich durch
die Drallkanäle 18 strömen.
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2B zeigt
in gleicher Darstellung wie 2A das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 in
geöffnetem
Zustand.
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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.
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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.
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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.
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3A und 3B stellen
ein zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 in
der gleichen Ansicht wie 2A und 2B dar.
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Im
Unterschied zum ersten, in 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.
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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.
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Ist
das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen, herrschen
dieselben Bedingungen wie in dem in 2A dargestellten
ersten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil 1. Der
Umgehungskanal 19 ist geschlossen, der Brennstoff strömt ausschließlich durch
die Drallkanäle 18, wie
in 3A ersichtlich.
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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.
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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.
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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.