DE10153628A1

DE10153628A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE10153628A1
Application number: DE2001153628
Authority: DE
Inventors: Guenter Dantes; Detlef Nowak
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-11-06

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine weist eine Ventilnadel (3) zur Betätigung eines an der Ventilnadel (3) ausgebildeten Ventilschließkörpers (4) auf, wobei der Ventilschließkörper (4) zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildeten Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet. Eine in dem Ventilsitzkörper (5) ausgebildete Abspritzöffnung (7) ist von einem an dem Ventilschließkörper (4) ausgebildeten Fortsatz (36) durchgriffen, wobei der Fortsatz (36) eine abströmseitige Stirnseite (45) des Ventilsitzkörpers (5) überragt. Der Fortsatz (36) weist an einem abströmseitigen Ende (37) einen kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörper (38) auf, dessen Kegelöffnungswinkel den Öffnungswinkel (alpha) einer in den Brennraum eingespritzten Gemischwolke definiert.

Description

Stand der Technik

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

Beispielsweise ist aus der DE 28 07 052 A1 ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil bekannt. Das Brennstoffeinspritzventil hat vor der Abspritzöffnung einen Drallraum, welcher zur ständigen Aufrechterhaltung einer Drallbewegung des Brennstoffs mit einer Rückleitung zur druckerzeugenden Förderpumpe verbindbar ist. Der Ventilschließkörper des Brennstoffeinspritzventils hat einen in die hinter dem Dichtsitz gebildete Abspritzöffnung hineinragenden Zapfen, der eine Tropfenbildung beim Öffnen des Brennstoffeinspritzventils verhindert.

Nachteilig an dem aus der DE 28 07 052 A1 bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere, daß eine Strahlaufweitung des in den Brennraum eingespritzten Brennstoffstrahls ausschließlich über den in der Drallkammer erzeugten Drall stattfindet. Dadurch ist ein großes Totvolumen vorhanden, dessen Inhalt beim Öffnen des Brennstoffeinspritzventils zunächst unverdrallt in den Brennraum eingespritzt wird, wodurch eine zu fette Gemischwolke gebildet wird. Dadurch steigt der Brennstoffverbrauch stark an. Außerdem erhöht sich bedingt durch die schlechtere Verbrennung auch der Schadstoffausstoß.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß ein stromabwärts des Dichtsitzes an dem Ventilschließkörper ausgebildeter Fortsatz eine Abspritzöffnung des Brennstoffeinspritzventils so durchgreift, daß der durch die Abspritzöffnung austretende Brennstoffstrahl durch einen an dem Fortsatz ausgebildeten kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörper kegelförmig aufgeweitet wird. Durch diese Aufweitung des in den Brennraum eingespritzten Brennstoffstrahls kann eine effektivere Verbrennung bedingt durch eine stöchiometrische Gemischwolke erfolgen. Außerdem kann der Schadstoffausstoß reduziert werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Vorteilhafterweise ist die radiale Ausdehnung des Verbreiterungskörpers so bemessen, daß diese größer als der radiale Durchmesser der Abspritzöffnung ist. Dadurch prallt der Brennstoff von der dem Ventilsitzkörper zugewandten Fläche des Verbreiterungskörpers ab. Somit wird eine kegelförmige Gemischwolke erzeugt, die eine vergrößerte Wandstärke aufweist.

Der die Abspritzöffnung durchgreifende Fortsatz ist mit dem Ventilschließkörper entweder einstückig ausgebildet oder in geeigneter Weise, beispielsweise durch Löten oder Schweißen, mit ihm verbunden. Ebenso ist der Verbreiterungskörper mit dem Fortsatz verlötet oder verschweißt.

Die Weite eines zwischen der Wandung der Abspritzöffnung und dem Fortsatz ausgebildeten Ringspalts kann so bemessen werden, daß der Brennstoff je nach Anforderung gedrosselt oder ungedrosselt abgespritzt werden kann.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist 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 vergrößerte Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils in geschlossenem Zustand im Bereich II in Fig. 1, und
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils in geöffnetem Zustand im Bereich II in Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bevor anhand der Fig. 2 und 3 ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil 1 mit seinem stromabwärtigen Ende näher beschrieben wird, soll zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst anhand von Fig. 1 das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 in einer Gesamtdarstellung bezüglich seiner wesentlichen Bauteile erläutert werden.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 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 eine 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 eine Abspritzöffnung 7 verfügt.
Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen einen Außenpol 9 einer Magnetspule 10 abgedichtet. Die Magnetspule 10 ist in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt, welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 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 einem 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, verhindert Ankerpreller beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1.
In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 sowie in einem Führungselement 34, welches der Führung der Ventilnadel 3 im Sitzbereich dient, 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 Brennstoffverteilerleitung abgedichtet.
An einem abströmseitigen Ende 35 des Ventilschließkörpers 4 ist ein Fortsatz 36 ausgebildet, der die entsprechend dimensionierte Abspritzöffnung 7 durchgreift und an einem abströmseitigen Ende 37 des Fortsatzes 36 einen kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörper 38 aufweist, der an dem Fortsatz 36 befestigt ist. Eine detaillierte Darstellung des abströmseitigen Teils des erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 ist den Fig. 2 und 3 zu entnehmen.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, daß der Ventilschließkörper 4 an der Ventilsitzfläche 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 ersten 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. Der Brennstoff wird durch die Abspritzöffnung 7 entlang des am Ventilschließkörper 4 ausgebildeten Fortsatzes 36 auf den daran ausgebildeten kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörper 38 geleitet und kegelförmig 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 erste 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.
Die Fig. 2 und 3 zeigen in einer ausschnittsweisen Schnittdarstellung das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäß ausgestaltete Brennstoffeinspritzventil 1 im Bereich II in Fig. 1 in geschlossenem und geöffnetem Zustand. Übereinstimmende Bauteile sind in allen Zeichnungen mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Wie bereits in der Beschreibung zu Fig. 1 erwähnt, weist das Brennstoffeinspritzventil 1 eine mit dem Ventilschließkörper 4 einstückig ausgebildete Ventilnadel 3 auf. Am abströmseitigen Ende 35 des Ventilschließkörpers 4 ist ein Fortsatz 36 ausgebildet, der mit dem Ventilschließkörper 4 sowohl einstückig beispielsweise durch Drehen ausgebildet als auch beispielsweise durch Löten, Schweißen oder Kleben mit diesem verbunden sein kann. Der Fortsatz 36 ist im Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgeformt und durchgreift die Abspritzöffnung 7. Der radiale Durchmesser der Abspritzöffnung 7 ist dabei so bemessen, daß er etwas größer als der radiale Durchmesser des Fortsatzes 36 ist, so daß zwischen einer Wandung 39 der Abspritzöffnung 7 und dem Fortsatz 36 ein Ringspalt 40 entsteht. Die radiale Ausdehnung des Ringspaltes 40 ist dabei für die Zerstäubung des Brennstoffs beim Einspritzvorgang von Bedeutung.
Am abströmseitigen Ende 37 des Fortsatzes 36 ist ein kegelstumpfförmiger Verbreiterungskörper 38 angebracht, den der Fortsatz 36 im Ausführungsbeispiel durchgreift. In Abströmrichtung ist bündig mit einer Stirnseite 42 des Verbreiterungskörpers 38 der Fortsatz 36 durch eine Schweißnaht 41 verbunden ist. Die Stirnseite 42, welche der Grundfläche des kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörpers 38 entspricht, weist dabei in Strömungsrichtung.
Um den Ventilschließkörper 4 vor dem Dichtsitz zu führen, ist das Führungselement 34 vorgesehen, welches zulaufseitig des Dichtsitzes im Düsenkörper 2 angeordnet ist und mittels einer Schweißnaht 43 mit dem Ventilsitzkörper 5 verbunden ist. Im Führungselement 34 ist zumindest ein Brennstoffkanal 30c ausgebildet, der den zuströmenden Brennstoff im geöffneten Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1 zum Dichtsitz leitet.
In Fig. 2 ist das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen. Es strömt kein Brennstoff. Der Ventilschließkörper 4 wird durch die Federkraft der in Fig. 2 nicht dargestellten Rückstellfeder 23 in dichtender Anlage an der Ventilsitzfläche 4 gehalten.
Da das Brennstoffeinspritzventil 1 als nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1 ausgelegt ist, wird bei Betätigung der Magnetspule 10, wie bereits weiter oben beschrieben, die Ventilnadel 3 entgegen einer Strömungsrichtung des Brennstoffs angehoben, wodurch der Ventilschließkörper 4 von der Ventilsitzfläche 6 abhebt. Gleichzeitig bewegt sich, wie in Fig. 3 dargestellt, auch der am Ventilschließkörper 4 ausgebildete Fortsatz 36 mit dem damit verbundenen kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörper 38 in Hubrichtung. Der durch den zumindest einen Brennstoffkanal 30c und den Ringspalt 40 strömende Brennstoff wird im Ringspalt 40 bedingt durch die geringe Weite des Ringspalts 40 sehr fein zerstäubt und trifft in der Folge nach Passieren der Abspritzöffnung 7 auf den kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörper 38 auf. Bedingt durch dessen Form wird der Brennstoffstrahl in eine kegelmantelförmige Gemischwolke aufgeweitet, deren Öffnungswinkel α vom Neigungswinkel einer Mantelfläche 44 des kegelförmigen Verbreiterungskörpers 38 abhängt.
Die so eingespritzte Gemischwolke erfüllt vor allem die Voraussetzungen für den Betrieb der Brennkraftmaschine unter Vollast, da sie ein homogenes, stöchiometrisches Gemisch in den gesamten Brennraum einspritzt. Für den Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine kann beispielsweise eine im Ausführungsbeispiel nicht weiter dargestellte Ausnehmung im Ventilschließkörper 4 bzw. im Fortsatz 36 vorgesehen sein, die den Brennstoff unter einem kleinen Strahlöffnungswinkel α mit hoher Penetration in den Brennraum einspritzt.
Bedingt durch die kompakte Befestigung des Fortsatzes 36 mit dem kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörper 38 an der Ventilnadel 3 ist das Totvolumen bei der Anströmung abströmseitig des Dichtsitzes minimal. Die Gefahr von fetten Vor- oder Nachspritzern ist damit stark reduziert.
Ähnlich einem nach außen öffnenden Brennstoffeinspritzventil 1 liegt die Abspritzgeometrie abströmseitig des Dichtsitzes, wodurch eine verkokungsoptimale Bauweise möglich ist. Die Abspritzöffnung 7 kann sich nicht durch Verbrennungsrückstände, die sich im Bereich des Austritts in den Brennraum niederschlagen, zusetzen.
Durch eine geeignete Wahl der Länge des Fortsatzes 36 sowie des Abstands des kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörpers 38 von einer Stirnfläche 44 des Ventilsitzkörpers 5 ist es möglich, im geöffneten Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1 den statischen Durchfluß beliebig einzustellen. Durch eine entsprechende Gestaltung der Mantelfläche 44 im Bezug auf Rauhigkeit, Form und Struktur kann die Gemischwolke beliebig strukturiert werden.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und zum Beispiel auch für Brennstoffeinspritzventile 1 mit piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktoren 10 sowie für mit der Ventilnadel 3ein- oder mehrteilig ausgebildete Ventilschließkörper 4 geeignet.

Claims

1. Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer Ventilnadel (3) zur Betätigung eines an der Ventilnadel (3) ausgebildeten Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildeten Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, einer in dem Ventilsitzkörper (5) ausgebildeten Abspritzöffnung (7) und einem an dem Ventilechließkörper (4) ausgebildeten, die Abspritzöffnung (7) durchgreifenden und eine abströmseitige Stirnseite (45) des Ventilsitzkörpers (5) überragenden Fortsatz (36), dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (36) an einem abströmseitigen Ende (37) einen kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörper (38) aufweist, dessen Kegelöffnungswinkel den Öffnungswinkel (α) einer in den Brennraum eingespritzten Gemischwolke definiert.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (36) einstückig mit dem Ventilschließkörper (4) ausgebildet ist.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (36) mittels Löten oder Schweißen mit dem Ventilschließkörper (4) verbunden ist.

4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelstumpfförmige Verbreiterungskörper (38) mit dem Fortsatz (36) verschweißt ist.

5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitzkörper (5) eine dem Brennraum zugewandte ebene Stirnseite (45) aufweist.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelstumpfförmige Verbreiterungskörper (38) im geöffneten Zustand des Brennstoffeinspritzventils (1) von der Stirnseite (45) des Ventilsitzkörpers (5) beabstandet ist.

7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser einer der Stirnseite (45) des Ventilsitzkörpers (5) zugewandten Fläche (46) des kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörpers (38) größer ist als der Durchmesser der Abspritzöffnung (7).

8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser einer dem Brennraum zugewandten Fläche (42) des kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörpers (38) größer ist als der Durchmesser der der Stirnseite (45) des Ventilsitzkörpers (5) zugewandten Fläche (46) des kegelstumpfförmigen Verbreiterungskörpers (38).

9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fortsatz (36) und einer Wandung (39) der Abspritzöffnung (7) ein Ringspalt (40) ausgebildet ist.

10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des Ringspalts (40) so bemessen ist, daß der Brennstoff gedrosselt abgespritzt wird.