DE10118273A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil, das ein bewegliches Ventilteil (20) aufweist, welches zum Öffnen und Schließen des Ventils mit einem festen Ventilsitz (27) zusammenwirkt, der an einem Ventilsitzelement (26) ausgebildet ist. Stromabwärts des Ventilsitzes (27) ist eine Zerstäuberscheibe (30) angeordnet. Die Zerstäuberscheibe (30) hat eine erste stromaufwärtige Lage (58), in die Brennstoff zentral einströmt und in der wenigstens ein radial verlaufender Öffnungsbereich (61) vorgesehen ist, der radial nach außen vom Brennstoff durchströmbar ist und der mit einer Prallwandung (63) endet. Stromabwärts der Prallwandung (63) schließt sich in einer zweiten stromabwärtigen Lage (59) der Zerstäuberscheibe (30) eine schlitzförmige Austrittsöffnung (64) quer an, wodurch der Brennstoff aufgefächert und feinstzerstäubt wird. DOLLAR A Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1.

Aus der EP 0 611 886 A1 ist bereits ein elektromagnetisch betätigbares Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem stromabwärts eines Ventilsitzes eine Lochscheibe bzw. ein Lochscheibenpaket vorgesehen ist. Die zwei aufeinanderliegenden Lochplättchen sind jeweils mit wenigstens einem schlitzförmigen Durchgangsloch ausgeformt. Die Schlitze der einzelnen Plättchen sind derart angeordnet, dass sie sich bei einer Projektion in eine Ebene grundsätzlich schneiden, und zwar im rechten Winkel zueinander. Ein in den Schlitz des stromaufwärtigen Plättchens einströmender Brennstoff strömt von außen zur Mitte des Schlitzes, wo er von dem Schlitz des stromabwärtigen Plättchens untergraben ist. Im Schnittbereich der beiden Schlitze befindet sich somit eine Durchgangsöffnung durch die gesamte Lochscheibenanordnung, durch die der Brennstoff letztlich abgespritzt wird. Die grabenförmigen Schlitze weisen pyramidenstumpfförmige Wandungen auf, da sie mittels Ätzen in Siliziumscheiben eingebracht sind.

In der DE-OS 196 07 288 wurde bereits die sogenannte Multilayergalvanik zur Herstellung von Lochscheiben, die insbesondere für den Einsatz an Brennstoffeinspritzventilen geeignet sind, ausführlich beschrieben. Dieses Herstellungsprinzip einer Scheibenherstellung durch mehrfaches galvanisches Metallabscheiden verschiedener Strukturen aufeinander, so dass eine einteilige Scheibe vorliegt, soll ausdrücklich zum Offenbarungsgehalt vorliegender Erfindung zählen. Die mikrogalvanische Metallabscheidung in mehreren Ebenen, Lagen bzw. Schichten kann auch zur Herstellung der erfindungsgemäßen Fächerstrahldüsenscheibe zum Einsatz kommen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass mit ihm eine sehr hohe Zerstäubungsgüte eines abzuspritzenden Brennstoffs erzielt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil ist in einer an ihm integrierten Zerstäuberscheibe, die von der Funktion her als Fächerstrahldüsenscheibe bezeichnet werden kann, eine Auffächerung des Brennstoffs möglich, mit der optimale Spraybilder insbesondere beim direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum erzeugt werden können. Als Konsequenz können an einem Einspritzventil einer Brennkraftmaschine u. a. die Abgasemission der Brennkraftmaschine reduziert und ebenso eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs erzielt werden.

In vorteilhafter Weise ist die Zerstäuberscheibe mit wenigstens einem radial verlaufenden Öffnungsbereich versehen, der an einer Prallwandung endet und von der aus der Brennstoff aufgrund der Schlitzanordnung weitgehend senkrecht zur Strömungsrichtung im Öffnungsbereich aufgefächert wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Von Vorteil ist es, mehr als einen Öffnungsbereich in der Zerstäuberscheibe vorzusehen. Durch eine gezielte Anzahl an Öffnungsbereichen kann beispielsweise ein gewünschtes schräg abgespritztes Spray erzeugt werden. Andererseits kann bei einer symmetrischen Anordnung von Öffnungsbereichen, z. B. mit vier Öffnungsbereichen, ein gleichmäßiges feinstzerstäubtes Spray, zusammengesetzt aus mehreren Fächerstrahlen, abgegeben werden.

Besonders vorteilhaft ist es, die Zerstäuberscheibe mittels der sogenannten Multilayergalvanik herzustellen. Aufgrund ihrer metallischen Ausbildung sind solche Zerstäuberscheiben sehr bruchsicher und gut montierbar. Die Anwendung der Multilayergalvanik erlaubt eine extrem große Gestaltungsfreiheit, da die Konturen der Öffnungsbereiche in der Zerstäuberscheibe frei wählbar sind. Besonders im Vergleich zu Siliziumscheiben, bei denen aufgrund der Kristallachsen erreichbare Konturen streng vorgegeben sind (Pyramidenstümpfe), ist diese flexible Formgebung sehr vorteilhaft.

Das metallische Abscheiden hat besonders im Vergleich zur Herstellung von Siliziumscheiben den Vorteil einer sehr großen Materialvielfalt. Die verschiedensten Metalle mit ihren unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften und Härten können bei der zur Herstellung der Zerstäuberscheiben verwendeten Mikrogalvanik zum Einsatz kommen.

Durch den Galvanikprozess werden die einzelnen Schichten ohne Trenn- oder Fügestellen so aufeinander aufgebaut, dass sie durchgehend homogenes Material darstellen. Insofern sind "Schichten" als gedankliches Hilfsmittel zu verstehen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Brennstoffeinspritzventil im Schnitt, Fig. 2 den Ausschnitt II in Fig. 1 im Bereich des Ventilsitzes und der erfindungsgemäßen Fächerstrahldüsenscheibe und Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2 durch eine obere Lage bzw. Schicht der Fächerstrahldüsenscheibe.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Das in der Fig. 1 beispielhaft dargestellte elektromagnetisch betätigbare Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen hat einen von einer Magnetspule 1 zumindest teilweise umgebenen, als Innenpol eines Magnetkreises dienenden, rohrförmigen, weitgehend hohlzylindrischen Kern 2. Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders als Hochdruckeinspritzventil zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.

Ein beispielsweise gestufter Spulenkörper 3 aus Kunststoff nimmt eine Bewicklung der Magnetspule 1 auf und ermöglicht in Verbindung mit dem Kern 2 und einem ringförmigen, nichtmagnetischen, von der Magnetspule 1 teilweise umgebenen Zwischenteil 4 einen besonders kompakten und kurzen Aufbau des Einspritzventils im Bereich der Magnetspule 1.

In dem Kern 2 ist eine durchgängige Längsöffnung 7 vorgesehen, die sich entlang einer Ventillängsachse 8 erstreckt. Der Kern 2 des Magnetkreises dient auch als Brennstoffeinlassstutzen, wobei die Längsöffnung 7 einen Brennstoffzufuhrkanal darstellt. Mit dem Kern 2 oberhalb der Magnetspule 1 fest verbunden ist ein äußeres metallenes (z. B. ferritisches) Gehäuseteil 14, das als Außenpol bzw. äußeres Leitelement den Magnetkreis schließt und die Magnetspule 1 zumindest in Umfangsrichtung vollständig umgibt. In der Längsöffnung 7 des Kerns 2 ist zulaufseitig ein Brennstofffilter 15 vorgesehen, der für die Herausfiltrierung solcher Brennstoffbestandteile sorgt, die aufgrund ihrer Größe im Einspritzventil Verstopfungen oder Beschädigungen verursachen könnten.

An das obere Gehäuseteil 14 schließt sich dicht und fest ein unteres rohrförmiges Gehäuseteil 18 an, das z. B. ein axial bewegliches Ventilteil bestehend aus einem Anker 19 und einer stangenförmigen Ventilnadel 20 bzw. einen langgestreckten Ventilsitzträger 21 umschließt bzw. aufnimmt. Die beiden Gehäuseteile 14 und 18 sind z. B. mit einer umlaufenden Schweißnaht fest miteinander verbunden. Die Abdichtung zwischen dem Gehäuseteil 18 und dem Ventilsitzträger 21 erfolgt z. B. mittels eines Dichtrings 22.

Mit seinem unteren Ende 25, das auch zugleich den stromabwärtigen Abschluss des gesamten Brennstoffeinspritzventils darstellt, umgibt der Ventilsitzträger 21 ein in einer Durchgangsöffnung 24 eingepasstes scheibenförmiges Ventilsitzelement 26 mit einer sich z. B. stromabwärts kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 27. In der Durchgangsöffnung 24 ist die Ventilnadel 20 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende einen Ventilschließabschnitt 28 aufweist. Dieser beispielsweise sich keglig verjüngende Ventilschließabschnitt 28 wirkt in bekannter Weise mit der Ventilsitzfläche 27 zusammen. Stromabwärts der Ventilsitzfläche 27 folgt dem Ventilsitzelement 26 eine Zerstäuberscheibe 30, die im folgenden aufgrund ihrer besonderen Funktion als sogenannte Fächerstrahldüsenscheibe bezeichnet wird und die beispielsweise mittels Multilayergalvanik hergestellt ist und zwei aufeinander abgeschiedene metallische Schichten umfasst.

Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise z. B. elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 20 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer in der Längsöffnung 7 des Kerns 2 angeordneten Rückstellfeder 33 bzw. Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1, dem Kern 2, den Gehäuseteilen 14 und 18 und dem Anker 19. Zur Führung der Ventilnadel 20 während ihrer Axialbewegung mit dem Anker 19 entlang der Ventillängsachse 8 dient einerseits eine im Ventilsitzträger 21 am dem Anker 19 zugewandten Ende vorgesehene Führungsöffnung 34 und andererseits ein stromaufwärts des Ventilsitzelements 26 angeordnetes scheibenförmiges Führungselement 35 mit einer maßgenauen Führungsöffnung 36.

Anstelle des elektromagnetischen Kreises kann auch ein anderer erregbarer Aktuator, wie z. B. ein Piezostack, in einem vergleichbaren Brennstoffeinspritzventil verwendet werden bzw. das Betätigen des axial beweglichen Ventilteils durch einen hydraulischen Druck oder Servodruck erfolgen.

Eine in der Längsöffnung 7 des Kerns 2 eingeschobene, eingepresste oder eingeschraubte Einstellhülse 38 dient zur Einstellung der Federvorspannung der über ein Zentrierstück 39 mit ihrer stromaufwärtigen Seite an der Einstellhülse 38 anliegenden Rückstellfeder 33, die sich mit ihrer gegenüberliegenden Seite am Anker 19 abstützt. Im Anker 19 sind ein oder mehrere bohrungsähnliche Strömungskanäle 40 vorgesehen, durch die der Brennstoff von der Längsöffnung 7 im Kern 2 aus über stromabwärts der Strömungskanäle 40 ausgebildete Verbindungskanäle 41 nahe der Führungsöffnung 34 im Ventilsitzträger 21 bis in die Durchgangsöffnung 24 gelangen kann.

Der Hub der Ventilnadel 20 wird durch die Einbaulage des Ventilsitzelements 26 vorgegeben. Eine Endstellung der Ventilnadel 20 ist bei nicht erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ventilschließabschnitts 28 an der Ventilsitzfläche 27 festgelegt, während sich die andere Endstellung der Ventilnadel 20 bei erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ankers 19 an der stromabwärtigen Stirnseite des Kerns 2 ergibt.

Die elektrische Kontaktierung der Magnetspule 1 und damit deren Erregung erfolgt über Kontaktelemente 43, die außerhalb des Spulenkörpers 3 mit einer Kunststoffumspritzung 44 versehen sind und weiter als Anschlusskabel 45 verlaufen. Die Kunststoffumspritzung 44 kann sich auch über weitere Bauteile (z. B. Gehäuseteile 14 und 18) des Brennstoffeinspritzventils erstrecken.

Ein erster Absatz 49 in der Durchgangsöffnung 24 dient als Anlagefläche für eine z. B. schraubenförmige Druckfeder 50. Mit einer zweiten Stufe 51 wird ein vergrößerter Einbauraum für die drei scheibenförmigen Elemente 35, 26 und 30 geschaffen. Die die Ventilnadel 20 umhüllende Druckfeder 50 verspannt das Führungselement 35 im Ventilsitzträger 21, da sie mit ihrer dem Absatz 49 gegenüberliegenden Seite gegen das Führungselement 35 drückt. Stromabwärts der Ventilsitzfläche 27 ist im Ventilsitzelement 26 eine zentrale Austrittsöffnung 53 eingebracht, durch die der bei geöffnetem Ventil an der Ventilsitzfläche 27 entlangströmende Brennstoff strömt, um nachfolgend in eine erste Lage 58 der Fächerstrahldüsenscheibe 30 einzutreten. Die Fächerstrahldüsenscheibe 30 liegt beispielsweise in einer Vertiefung 54 eines scheibenförmigen Halteelements 55 vor, wobei das Halteelement 55 fest mit dem Ventilsitzträger 21 z. B. mittels Schweißen, Kleben oder durch Verklemmen verbunden ist. In dem Halteelement 55 ist eine zentrale Auslassöffnung 56 ausgebildet, durch die der aufgefächerte Brennstoff das Brennstoffeinspritzventil verlässt.

Fig. 2 zeigt den Ausschnitt II in Fig. 1 zur Verdeutlichung der Geometrie der Fächerstrahldüsenscheibe 30. Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie III-III in Fig. 2, um die Konturen der Öffnungsgeometrie innerhalb der Fächerstrahldüsenscheibe 30 zu verdeutlichen. Um die Anströmung der Fächerstrahldüsenscheibe 30 näher zu charakterisieren, wurde in Fig. 3 noch zusätzlich die Austrittsöffnung 53 des Ventilsitzelements 26 eingezeichnet.

Gebildet wird die Fächerstrahldüsenscheibe 30 aus zwei galvanisch aufeinander abgeschiedenen Ebenen, Lagen bzw. Schichten, die somit im eingebauten Zustand axial aufeinander folgen. Die beiden Lagen 58 und 59 der Fächerstrahldüsenscheibe 30 weisen z. B. den gleichen Außendurchmesser auf. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Anströmung der Fächerstrahldüsenscheibe 30 über die zentrale Austrittsöffnung 53 in die Öffnungskontur der Fächerstrahldüsenscheibe 30 hinein. Da die untere Lage 59 zumindest im Bereich rund um die Ventillängsachse 8 vollständig massiv ausgeführt ist, wird der einströmende Brennstoff an der der ersten Lage 58 zugewandten Oberfläche 60 der unteren Lage 59 umgelenkt, um radial nach außen zu strömen.

In der ersten Lage 58 ist wenigstens ein radial verlaufender Öffnungsbereich 61 vorgesehen, der über die gesamte axiale Dicke dieser Lage 58 verläuft und von der unteren Stirnfläche 62 des Ventilsitzelements 26 begrenzt wird. Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, ist es vorteilhaft, mehrere radiale Öffnungsbereiche 61 auszubilden. Denkbar sind z. B. zwischen zwei und zehn Öffnungsbereiche 61. Sind vier kanalartige Öffnungsbereiche 61 vorgesehen, so verlaufen diese beispielsweise in der Gesamtkontur strahlförmig und bilden zusammen ein Kreuz, so dass die einzelnen Öffnungsbereiche also jeweils in einem Winkel von 90° zueinander liegen. Jeder kanalartige Öffnungsbereich 61 endet an einer Prallwandung 63, auf die die radial verlaufende Strömung auftrifft.

In der unteren Lage 59 der Fächerstrahldüsenscheibe 30 ist nur eine schlitzartige Öffnungskontur eingebracht. Im Bereich jeder Prallwandung 63 schließt sich in stromabwärtiger Richtung in der unteren Lage 59 eine schlitzförmige Austrittsöffnung 64 an. Die radial außen liegende Wandung 65 jeder Austrittsöffnung 64 verläuft fluchtend zur jeweiligen Prallwandung 63 und stellt somit letztlich deren stromabwärtige Verlängerung dar. Die schlitzförmigen Austrittsöffnungen 64 weisen eine größere Länge L auf als die Breite 1 des in sie mündenden Öffnungsbereichs 61. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, gilt L < 1. Da die Austrittsöffnungen 64 in ihrer Längserstreckung weitgehend senkrecht zu den Öffnungsbereichen 61 verlaufen, kann sich die auf die Prallwandung 63 treffende Strömung im rechten Winkel dazu entsprechend der Größe der Austrittsöffnung 64 auffächern, und der Brennstoff wird fein zerstäubt in einer Fächerstrahlgeometrie abgegeben.

Die Dicke der unteren Lage 59 und damit die axiale Länge der Austrittsöffnungen 64 sind Ausschlag gebend für die Strahlauffächerung und -ablenkung. Über die Querschnittsflächen der Öffnungsbereiche 61 lässt sich die Homogenität des abzuspritzenden Fächerstrahls einstellen. Durch die Anzahl und die Anordnung der Austrittsöffnungen 64 ist die Strahlform veränderbar. Neben den in Fig. 3 gezeigten geradlinigen Austrittsöffnungen 64 sind auch geschlitzte bogenförmige Austrittsöffnungen 64 denkbar. Die Fächerstrahldüsenscheibe 30 kann auch im Gegensatz zur in Fig. 1 gezeigten Einbauvariante schräg geneigt zur Ventillängsachse 8 befestigt sein, so dass das Brennstoffspray unter einem Winkel γ zur Ventillängsachse 8 abgespritzt wird.

Die Fächerstrahldüsenscheibe 30 wird in zwei metallischen Schichten beispielsweise durch galvanische Abscheidung aufgebaut (Multilayergalvanik). Aufgrund der tiefenlithographischen, galvanotechnischen Herstellung gibt es besondere Merkmale in der Konturgebung, von denen hiermit einige in Kurzform zusammenfassend aufgeführt sind:

• - Schichten mit über die Scheibenfläche konstanter Dicke,
• - durch die tiefenlithographische Strukturierung weitgehend senkrechte Einschnitte in den Schichten, welche die jeweils durchströmten Hohlräume bilden (fertigungstechnisch bedingte Abweichungen von ca. 3° gegenüber optimal senkrechten Wandungen können auftreten),
• - gewünschte Hinterschneidungen und Überdeckungen der Einschnitte durch mehrlagigen Aufbau einzeln strukturierter Metallschichten,
• - Einschnitte mit beliebigen, weitgehend achsparallele Wandungen aufweisenden Querschnittsformen,
• - einteilige Ausführung der Fächerstrahldüsenscheibe, da die einzelnen Metallabscheidungen unmittelbar aufeinander erfolgen.

Andererseits ist es jedoch ebenso denkbar, die Fächerstrahldüsenscheibe 30 stanz- und prägetechnisch, erodiertechnisch oder ätztechnisch herzustellen.

Claims (10)

1. Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Ventillängsachse (8), mit einem Aktuator (1, 2, 14, 18, 19), mit einem beweglichen Ventilteil (20), das zum Öffnen und Schließen des Ventils mit einem festen Ventilsitz (27) zusammenwirkt, der an einem Ventilsitzelement (26) ausgebildet ist, und mit einer stromabwärts des Ventilsitzes (27) angeordneten Zerstäuberscheibe (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuberscheibe (30) eine erste stromaufwärtige Lage (58) hat, in die Brennstoff zentral einströmbar ist und in der wenigstens ein radial verlaufender Öffnungsbereich (61) vorgesehen ist, der radial nach außen vom Brennstoff durchströmbar ist und der mit einer Prallwandung (63) endet, und dass sich stromabwärts der Prallwandung (63) in einer zweiten stromabwärtigen Lage (59) der Zerstäuberscheibe (30) eine schlitzförmige Austrittsöffnung (64) anschließt.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Öffnungsbereich (61) kanalartig verläuft und von einer unteren Stirnfläche (62) des Ventilsitzelements (26) und von einer Oberfläche (60) der zweiten Lage (59) begrenzt wird.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radial außen liegende Wandung (65) der Austrittsöffnung (64) zumindest im Bereich der Prallwandung (63) fluchtend zu dieser verläuft und somit deren stromabwärtige Verlängerung darstellt.

4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längserstreckung der schlitzförmigen Austrittsöffnung (64) weitgehend senkrecht zu dem Öffnungsbereich (61) verläuft.

5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Austrittsöffnung (64) geradlinig oder bogenförmig verläuft.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Austrittsöffnung (64) größer ist als die Breite (1) des in sie mündenden Öffnungsbereichs (61).

7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vier Öffnungsbereiche (61) in der Zerstäuberscheibe (30) mit jeweils einer Austrittsöffnung (64) vorgesehen sind.

8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsbereiche (61) in der ersten Lage (58) eine kreuzförmige Öffnungskontur bilden.

9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuberscheibe (30) mittels galvanischer Metallabscheidung herstellbar ist.

10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Lagen (58, 59) der Zerstäuberscheibe (30) als zwei metallisch abgeschiedene Schichten aufeinander aufgebaut sind.