DE10136808A1

DE10136808A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE10136808A1
Application number: DE10136808A
Authority: DE
Inventors: Franz Rieger; Fevzi Yildirim; Andreas Eichendorf; Guenther Hohl; Michael Huebel; Juergen Stein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-02-13
Also published as: KR20040026689A; EP1415083A1; US20040050977A1; US6892971B2; KR100853647B1; WO2003012284A1; JP2004522070A; JP4085057B2; DE50211887D1; EP1415083B1

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Brennstoffeinspritzventil (1) für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, umfaßt eine mit einem ersten Anker (3) zusammenwirkende erste Magnetspule (2), eine mit einem zweiten Anker (5) zusammenwirkende zweite Magnetspule (4) und eine mit dem ersten Anker (3) über einen ersten Flansch (12) und mit dem zweiten Anker (5) über einen zweiten Flansch (13) kraftschlüssig in Verbindung stehende Ventilnadel (14) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers. Die Ventilnadel (14) ist durch eine Rückstellfeder (179 in einer Schließrichtung des Brennstoffeinspritzventils (1) beaufschlagt. Eine erste Positionierfeder (15), die zwischen dem ersten Flansch (12) und dem ersten Anker (3) angeordnet ist, beaufschlagt den ersten Anker (3) in der Schließrichtung des Brennstoffeinspritzventils (1), während eine zweite Positionierfeder (16), die zwischen dem zweiten Flansch (13) und dem zweiten Anker (5) angeordnet ist, den zweiten Anker (5) in einer Öffnungsrichtung des Brennstoffeinspritzventils (1) beaufschlagt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Die Schließzeiten von Brennstoffeinspritzventilen werden durch Adhäsionskräfte zwischen Anker und Kern einerseits und durch Wirbelströme andererseits verlängert. Zur Verringerung der Verzögerungen ist beispielsweise bekannt, die Rückstellfeder, die den Anker beaufschlagt, stärker zu konzipieren. Damit die Öffnungszeiten des Brennstoffeinspritzventils nicht unter der erhöhten Rückstellkraft der Rückstellfeder leiden, müssen stärkere Magnetkreise entwickelt werden, die mit größeren Abmessungen der Magnetspulen, höheren Versorgungsspannungen, einer höheren Windungszahl und teureren Magnetmaterialien betrieben werden müssen.
Ferner ist bekannt, bei Beendigung des das Brennstoffeinspritzventil erregenden Stromimpulses einen Strom in umgekehrter Richtung durch die Magnetspule fließen zu lassen, um den Abbau des Restfeldes zu beschleunigen. Die Konstruktion entsprechender Steuerelemente ist jedoch aufwendig und führt lediglich zu geringfügigen Verkürzungen der Schließzeit.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein Magnetfeld zum Öffnen des Brennstoffeinspritzventils und ein zweites Magnetfeld zum Halten des Brennstoffeinspritzventils in seiner geöffneten Stellung aufzubauen. Die Stärke des Haltefeldes kann dann so klein gewählt werden, daß die Wirbelströme nach Abschalten des Haltefeldes klein sind und dadurch die Schließzeit verkürzt werden kann.

Aus der DE 23 06 007 C3 ist ein elektromagnetisch betätigbares Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Brennstoff in eine Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem die Magnetspule drei Wicklungen aufweist, welche von drei getrennten Schaltkreisen angesteuert werden. Dabei dient der erste Schaltkreis zum schnellen Öffnen des Brennstoffeinspritzventils, der zweite Schaltkreis zum Offenhalten des Brennstoffeinspritzventils und der dritte Schaltkreis zum Erzeugen eines das Restmagnetfeld löschenden Gegenfeldes zum schnellen Schließen des Brennstoffeinspritzventils.

Nachteilig an dem aus der DE 23 06 007 C3 bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere die aufwendige Herstellung einer Anordnung mit drei Schaltkreisen, die drei Wicklungen der Magnetspule ansteuern. Auch der durch die Schaltkreise erhöhte Platzbedarf ist von Nachteil. Eine aktive Rückstellung durch eine in Schließrichtung gerichtete magnetische Kraftkomponente findet nicht statt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß durch die Kombination eines Doppelspulenkonzeptes und des Ankerfreiwegprinzips, welches durch jeweils einen Vorhub und eine Positionierfeder pro Magnetspule einen schnellen Öffnungs- und einen aktiven und damit beschleunigten Schließvorgang ermöglicht, ein Brennstoffeinspritzventil mit geringen Ansteuerleistungen der Magnetkreise und einer hohen Schaltdynamik realisiert werden kann.

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

Von Vorteil ist auch, daß die Federkonstanten der Positionierfedern klein gegenüber der Federkonstanten der Rückstellfeder ist, wodurch sich eine Verstärkung der Rückstellfeder erübrigt.

Durch die Verwendung zweier mit der Ventilnadel kraftschlüssig verbundener Flansche in Verbindung mit den schwachen Positionierfedern kann ein mechanisch einfaches und kostengünstig herstellbares Ankerfreiwegsystem verwirklicht werden.

Die Ankerfreiwege betragen dabei vorteilhafterweise etwa die Hälfte des Gesamthubs der Anker des Magnetkreises, wodurch die Anker durch eine passende zeitliche Abstimmung in oszillierenden Mittelpositionen gehalten werden, woraus die hohe Schaltdynamik resultiert.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in einer teilweisen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils,
Fig. 2 einen stark schematisierten Ausschnitt aus dem in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil im Bereich II in Fig. 1,
Fig. 3A ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Anker- und Ventilnadelhubs des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils, und
Fig. 3B ein Diagramm der Schaltphasen des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung den mittleren Teil eines Brennstoffeinspritzventils 1. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine geeignet. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann dabei als nach innen oder nach außen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1 ausgeführt sein. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt eine erste Magnetspule 2, welche mit einem ersten Anker 3 zusammenwirkt, und eine zweite Magnetspule 4, welche mit einem zweiten Anker 5 zusammenwirkt. Die erste Magnetspule 2 ist auf einen ersten Spulenträger 6 und die zweite Magnetspule 4 ist auf einen zweiten Spulenträger 7 gewickelt. Die erste Magnetspule 2 umgibt ein erstes Kernteil 8, während die zweite Magnetspule 4 ein zweites Kernteil 9 umgibt. Die erste Magnetspule 2 und die zweite Magnetspule 4 werden in axialer Richtung durch einen Steg 10 voneinander getrennt. Der erste Anker 3 und der zweite Anker 5 sind zwischen dem ersten Kernteil 8 und dem zweiten Kernteil 9 angeordnet und durch einen Anschlagring 11 voneinander getrennt. Der Anschlagring 11 ist zur magnetischen Trennung der Magnetkreise aus einem nichtmagnetisierbaren Material gefertigt.
Eine Ventilnadel 14 erstreckt sich durch das erste Kernteil 8, das zweite Kernteil 9 sowie die beiden Anker 3 und 5. Der erste Anker 3 steht mit der Ventilnadel 14 über einen ersten Flansch 12 in Wirkverbindung, während der zweite Anker 5 über einen zweiten Flansch 13 mit der Ventilnadel 14 in Wirkverbindung steht. Die Flansche 12 und 13 können dabei mit der Ventilnadel 14 verschweißt oder auf diese aufgepreßt sein. Zwischen dem ersten Flansch 12 und dem ersten Anker 3 ist eine erste Positionierfeder 15 eingespannt, welche den ersten Anker 3 in einer Schließrichtung beaufschlagt. Ebenso ist zwischen dem zweiten Flansch 13 und dem zweiten Anker 5 eine zweite Positionierfeder 16 vorgesehen, welche den zweiten Anker 5 in einer Öffnungsrichtung des Brennstoffeinspritzventils 1 beaufschlagt.
Im geschlossenen Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1 ist infolge der Positionierfedern 15 und 16 zwischen dem ersten Anker 3 und dem ersten Kernteil 8 ein erster Arbeitsspalt 18 ausgebildet, während sich zwischen dem zweiten Anker 5 und dem zweiten Kernteil 9 ein zweiter Arbeitsspalt 19 befindet. Die Anker 3 und 5 befinden sich in Anlage an dem Anschlagring 11. Zwischen dem ersten Flansch 12 und dem ersten Anker 3 ist ein erster Ankerfreiweg 23 und zwischen dem zweiten Flansch 13 und dem zweiten Anker 5 ist eine zweiter Ankerfreiweg 24 ausgebildet.
An der Ventilnadel 14 stützt sich in Zulaufrichtung eine Rückstellfeder 17 ab, welche die Ventilnadel 14 so beaufschlagt, daß ein mit der Ventilnadel 14 in Wirkverbindung stehender, nicht weiter dargestellter Ventilschließkörper in dichtender Anlage an einem Dichtsitz und damit das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen gehalten wird. Die Federkonstante der Rückstellfeder 17 ist dabei sehr viel größer als die Federkonstanten der Positionierfedern 15 und 16.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt weiterhin einen Düsenkörper 20, der einen Außenpol 21 der Magnetkreise durchgreift. Der Brennstoff wird zentral zugeführt und durch eine zentrale Ausnehmung 22 des Brennstoffeinspritzventils 1 sowie durch die rohrförmige Ventilnadel 14 zum Dichtsitz geleitet.
Eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise und Dynamik des Brennstoffeinspritzventils 1 sowie der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist den Fig. 2 und 3A bis 3B sowie der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Fig. 2 zeigt in einer ausschnittsweisen Schnittdarstellung ein stark schematisiertes Detail des in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 zur Verdeutlichung der Arbeitsspalte 18 und 19 sowie der Ankerfreiwege 23 und 24. In der Zeichnung sind nur diejenigen Teile des Brennstoffeinspritzventils 1 dargestellt, welche zur Erläuterung der Wirkungsweise benötigt werden. Dabei sind bereits beschriebene Bauteile mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen. Die folgende Beschreibung der Funktionsweise der Magnetspulen 2 und 4 sowie der Anker 3 und 5 ist dabei der Verständlichkeit halber in Verbindung mit den in Fig. 3A und 3B dargestellten Diagrammen, welche den zeitlichen Verlauf des Anker- und Ventilnadelhubs des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 sowie die Schaltphasen des Öffnungs- und Schließvorgangs darstellen, zu betrachten.
Wird bei geschlossenem Brennstoffeinspritzventil 1 die Bestromung der ersten Magnetspule 2, welche in Fig. 2 mit "AUF" bezeichnet ist, eingeleitet, steigt der die erste Magnetspule 2 erregende Strom, welcher in Fig. 3B mit "Strom auf" bezeichnet ist, auf eine Haltestromstärke an. Ab einer ausreichenden Magnetkraft wird der erste Anker 3 vom ersten Kernteil 8 angezogen und in einer Öffnungsrichtung bewegt. Die Ventilnadel 14 verbleibt aufgrund der Rückstellkraft der Rückstellfeder 17 sowie dem zwischen dem ersten Flansch 12 und dem ersten Anker 3 ausgebildeten Ankerfreiweg 23 noch in ihrer Ausgangsposition. Zwischenzeitlich bewegt sich der erste Anker 3 um einen in Fig. 2 und Fig. 3A mit h₁ bezeichneten ersten Hub an der Ventilnadel 14 in Öffnungsrichtung. Der erste Hub h₁ ist dabei kleiner als der erste Arbeitsspalt 18, der zwischen dem ersten Anker 3 und dem ersten Kernteil 8 ausgebildet ist. Nach Auftreffen des ersten Ankers 3 auf dem ersten Flansch 12 wird die Ventilnadel 14 über den mit dieser kraftschlüssig verbundenen ersten Flansch 12 in Öffnungsrichtung mitgenommen, wodurch der erste Arbeitsspalt 18 vollständig geschlossen wird und der erste Anker 3 am ersten Kernteil 8 anschlägt.
In einem typischen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 kann die Gesamtweite der Arbeitsspalte 18 und 19 beispielsweise ca. 110 µm betragen, wovon ca. 50 µm auf den Vorhub h₁ bzw. h₂ entfallen.
Mit Beginn der Bewegung der Ventilnadel 14 beginnt auch die Einspritzung von Brennstoff in den nicht weiter dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine.
Bereits während der Bestromung der ersten Magnetspule 2 wird auch die zweite Magnetspule 4 bestromt. Dabei wird das Magnetfeld so aufgebaut, daß der zweite Anker 5 bereits in eine Schließrichtung des Brennstoffeinspritzventils 1 bewegt wird. Der in Fig. 2 mit "ZU" bezeichnete zweite Anker 5 durchläuft dabei einen zweiten Hub, welcher in Fig. 2 und 3A mit h₂ bezeichnet ist. Danach trifft der zweite Anker 5 auf den zweiten Flansch 13. Während der Vorhubphase des zweiten Ankers 5 wird der die erste Magnetspule 2 erregende Strom abgeschaltet. Dadurch wird die Ventilnadel 14 vom ersten Anker 3 freigegeben. Nach dem Auftreffen des zweiten Ankers 5 auf dem zweiten Flansch 13 wird für die Ventilnadel 14 der Schließvorgang eingeleitet, was durch die Kraft der Rückstellfeder 17 unterstützt wird.
Der erste Anker 3 ist währenddessen durch die Kraft der ersten Positionierfeder 15 bereits in seine Ausgangslage zurückgekehrt, wo er bis zum nächsten Öffnungszyklus verbleibt. Nach dem Abschalten der zweiten Magnetspule 4 kann die zweite Positionierfeder 16 den zweiten Anker 5 ebenfalls in seine Ausgangslage rückstellen.
In Fig. 3A ist erkennbar, daß nach dem jeweilige Durchlaufen des ersten und zweiten Hubs h₁ und h₂ die Anker 3 und 5 in einem oszillierenden Schwebezustand gehalten werden, wodurch eine Vorbeschleunigung der Ventilnadel 14 beim Öffnen bzw. Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1 entfallen kann und die Schaltdynamik wesentlich verbessert wird.
Das in Fig. 3B dargestellte gleichzeitige Bestromen beider Magnetspulen 2 und 4 kann zeitlich so aufeinander abgestimmt werden, daß der Schließvorgang bereits eingeleitet wird, während der Öffnungsvorgang noch nicht abgeschlossen ist.
Durch die beschriebenen Maßnahmen kann also durch die Verbindung eines Doppelspulenkonzeptes und des Ankerfreiwegprinzips ein schnell öffnendes und schnell schließendes Brennstoffeinspritzventil 1 verwirklicht werden, welches eine verbesserte Dynamik mit einem prellerunabhängigen Schließvorgang, welcher durch einen aktiven Schließimpuls des zweiten Ankers 5 begünstigt wird, mit niedrigen Versorgungsspannungen und reduzierter Federkraft der Rückstellfeder 17 kombiniert.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern eignet sich für beliebige Bauweisen von Brennstoffeinspritzventilen 1, insbesondere auch für nach außen öffnende Brennstoffeinspritzventile 1.

Claims

1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Brennstoffeinspritzventil (1) für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer mit einem ersten Anker (3) zusammenwirkenden ersten Magnetspule (2), einer mit einem zweiten Anker (5) zusammenwirkenden zweiten Magnetspule (4) und einer mit dem ersten Anker (3) über einen ersten Flansch (12) und mit dem zweiten Anker (5) über einen zweiten Flansch (13) kraftschlüssig in Verbindung stehenden Ventilnadel (14) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers, die durch eine Rückstellfeder (17) in einer Schließrichtung des Brennstoffeinspritzventils (1) beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste Positionierfeder (15), die zwischen dem ersten Flansch (12) und dem ersten Anker (3) angeordnet ist, den ersten Anker (3) in der Schließrichtung des Brennstoffeinspritzventils (1) beaufschlagt und
daß eine zweite Positionierfeder (16), die zwischen dem zweiten Flansch (13) und dem zweiten Anker (5) angeordnet ist, den zweiten Anker (5) in einer Öffnungsrichtung des Brennstoffeinspritzventils (1) beaufschlagt.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierfedern (15; 16) eine Federkonstante aufweisen, die sehr viel kleiner ist als die Federkonstante der Rückstellfeder (17), die die Ventilnadel (14) in der Schließrichtung beaufschlagt.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Flansch (12) und dem ersten Anker (3) ein erster Ankerfreiweg (23) ausgebildet ist.

4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ankerfreiweg (23) kleiner ist als ein erster Arbeitsspalt (18), der zwischen dem ersten Anker (3) und einem ersten Kernteil (8) ausgebildet ist.

5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten Flansch (13) und dem zweiten Anker (5) ein zweiter Ankerfreiweg (24) ausgebildet ist.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ankerfreiweg (24) kleiner ist als ein zweiter Arbeitsspalt (18), der zwischen dem zweiten Anker (3) und einem zweiten Kernteil (9) ausgebildet ist.

7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Ankerfreiweg (23; 24) etwa 50 µm beträgt, während die Weite des ersten und des zweiten Arbeitsspalts (18; 19) etwa 110 µm beträgt.

8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (12; 13) kraftschlüssig mit der Ventilnadel (14) verbunden sind.

9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Magnetspulen (2; 4) aufgebauten Magnetfelder in entgegengesetzte Richtungen wirken.

10. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Anker (3) und dem zweiten Anker (5) ein Anschlagring (11) angeordnet ist, der aus einem nichtmagnetisierbaren Material besteht.