DE102004024535A1

DE102004024535A1 - Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündvorrichtung

Info

Publication number: DE102004024535A1
Application number: DE102004024535A
Authority: DE
Inventors: Manfred Vogel; Werner Herden; Rainer Ecker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2005-12-15
Also published as: DE502005004411D1; EP1751422B1; JP2006524781A; WO2005113975A1; US20080072871A1; EP1751422A1; JP4243629B2

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1) mit integrierter Zündvorrichtung (38, 39, 41, 42) weist ein erstes Elektrodenpaar (38, 39) zum Zünden von direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine durch Abspritzöffnungen (7) des Brennstoffeinspritzventils (1) eingespritzten Brennstoff auf. Das Elektrodenpaar (38, 39) besteht aus einer Massenelektrode (38) und einer Mittelelektrode (39), die durch eine Funkenstrecke (41) beabstandet sind. Das Brennstoffeinspritzventil (1) und die Zündvorrichtung (38, 39, 41, 42) sind in einem gemeinsamen Gehäuse (40) angeordnet. Die Zündvorrichtung (38, 39, 41, 42) weist zumindest eine weitere Funkenstrecke (46) bzw. ein weiteres Elektrodenpaar (44, 45) auf.

Description

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

Beispielsweise ist aus der DE 102 14 167 A1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einer integrierten Zündvorrichtung bekannt. Durch eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode wird eine Funkenstrecke abspritzseitig der Abspritzöffnungen gebildet. Die Vorteile einer solchen Brennstoffeinspritzventil-Zündkerzen-Kombination sind beispielsweise der verringerte Platzbedarf und die gesteigerte Flexibilität bei der Brennraumgestaltung und der Anordnung und Dimensionierung der Ein- und Auslaßventile.

Nachteilig bei dem aus der obengenannten Druckschrift bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere, daß durch die nur eine Funkenstrecke das Brennstoff-Luft-Gemisch nur an einer Stelle im Brennraum zündet wird. Die Zeit zur Ausbreitung der Flamme im Brennraum ist dadurch unvorteilhaft erhöht.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das Brennstoff-Luft-Gemisch wesentlich schneller vollständig gezündet werden kann. Durch die dadurch wesentlich schneller ablaufende Gesamtverbrennung wird der Wirkungsgrad erhöht. Außerdem werden ausgemagerte Endbereiche des Sprays vermieden, wodurch eine geringere Spreizung des Lambda-Bereichs des Sprays mit der Konsequenz reduzierter Kohlenwasserstoffemissionen erreicht wird. Im weiteren ist bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündvorrichtung eine höhere Abgasrückführrate und/oder ein magerer Schichtbetrieb mit der Konsequenz reduzierter Stickoxidemissionen möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils mit integrierter Zündvorrichtung möglich.

Vorteilhafterweise sind die Elektrodenpaare so angeordnet, daß die Funkenstrecken gleichmäßig um die Abspritzöffnungen verteilt sind und/oder die Funkenstrecken auf einem Kreis um die Abspritzöffnungen herum angeordnet sind. Dadurch wird das Brennstoff-Luft-Gemisch gleichmäßig gezündet, und das Brennstoff-Luft-Gemisch kann gleichmäßig und homogen im Brennraum abbrennen. Die Zeit zur vollständigen Zündung des gesamten Brennstoff-Luft-Gemisches im Brennraum wird minimiert.

Von Vorteil ist es außerdem, das Gehäuse aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Metall, zu fertigen. Das Gehäuse kann dadurch als elektrischer Pol bzw. als Massenelektrode für die Elektrodenpaare verwendet werden.

Durch eine Länge der Funkenstrecke von nur 50 bis 300 Mikrometern kann die Zündspannung klein gewählt werden. Außerdem kann die Dicke der Isolierkörper kleiner gewählt werden.

Vorteilhaft ist es zudem, in das gemeinsame Gehäuse einen Drucksensor und/oder einen Temperatursensor zu integrieren. Zustände im Brennraum können so ohne großen Aufwand verfolgt werden. Außerdem sind keine zusätzlichen Öffnungen in den Brennraum erforderlich, die für externe Sensoren nötig wären.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch ein Beispiel eines Brennstoffeinspritzventils ohne integrierte Zündvorrichtung,
2 einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils mit integrierter Zündvorrichtung im abspritzseitigen Bereich und
3 eine Draufsicht auf das abspritzseitige Ende des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils mit integrierter Zündvorrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft beschrieben. Übereinstimmende Bauteile sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Bevor anhand der 2 und 3 ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel näher beschrieben wird, soll zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst anhand von 1 ein Brennstoffeinspritzventil ohne integrierte Zündvorrichtung bezüglich seiner wesentlichen Bauteile kurz erläutert werden. In der 2 eingezeichnete Pfeile geben den Verlauf der Flammenfront des gezündeten Brennstoff-Luft-Gemisches im Brennraum wieder.
Ein in 1 dargestelltes Beispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 ohne integrierte Zündvorrichtung 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 ohne integrierte Zündvorrichtung besteht aus einem Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 weist abspritzseitig einen Ventilschließkörper 4 auf, 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 Abstand 26 voneinander getrennt und miteinander durch ein nicht ferromagnetisches Verbindungsbauteil 29 verbunden. Die Magnetspule 10 wird über eine elektrische 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 der Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 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 spiralförmige Rückstellfeder 23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine Hülse 24 auf Vorspannung gebracht wird.
In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und an einem Führungselement 36 verlaufen Brennstoffkanäle 30, 31 und 32. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch einen Gummiring 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffverteilerleitung und durch eine Dichtung 37 gegen einen nicht weiter dargestellten Zylinderkopf abgedichtet.
An der abspritzseitigen Seite des Ankers 20 ist ein ringförmiges Dämpfungselement 33, welches aus einem Elastomerwerkstoff besteht, angeordnet. Es liegt auf einem zweiten Flansch 34 auf, welcher über eine Schweißnaht 35 stoffschlüssig mit der Ventilnadel 3 verbunden ist.
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 Verbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab, und der druckbehaftet zugeführte Brennstoff wird durch die Abspritzöffnung 7 in den nicht dargestellten Brennraum 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 Verbindung 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.
2 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 mit integrierter Zündvorrichtung im abspritzseitigen Bereich. Das dargestellte Brennstoffeinspritzventil 1 ist als Mehrlochventil ausgeführt und öffnet nach innen. Die integrierte Zündvorrichtung weist zwei Elektrodenpaare auf. Ein erstes Elektrodenpaar besteht aus einer ersten Massenelektrode 38 und einer ersten Mittelelektrode 39. Ein zweites Elektrodenpaar besteht aus einer zweiten Massenelektrode 44 und einer zweiten Mittelelektrode 45.
Der zylindrische Düsenkörper 2 des Brennstoffeinspritzventils 1 verläuft im hohlzylindrischen Gehäuse 40 passgenau und schließt seitlich abspritzseitig mit dem abspritzseitigen Ende des Gehäuses 40 ab. Im Gehäuse 40 sind ein erster hohlzylindrischer Isolierkörper 42, in dem die erste Mittelektrode 39 verläuft, und ein zweiter hohlzylindrischer Isolierkörper 47, in dem die zweite Mittelektrode 45 verläuft, angeordnet. Die Isolierkörper 42, 47 bestehen beispielsweise aus einem keramischen Material. Beispielsweise können der Düsenkörper 2 und das Gehäuse 40 in anderen Ausführungsbeispielen einstückig ausgeführt sein. Die beiden Isolierkörper 42, 47 ragen etwas über das abspritzseitige Ende des Gehäuse 40 hinaus. Dies dient insbesondere zur Unterbindung von Kriechströmen zwischen den Elektroden.
Aus den beiden Isolierkörpern 42, 47 treten abspritzseitig die beiden Mittelelektroden 39, 45 zunächst koaxial zur Mittelachse des jeweiligen Isolierkörpers 42, 47 aus, um nach kurzer Strecke etwa rechtwinklig dazu zu verlaufen. Die beiden Massenelektroden 38, 44 sind an gegenüberliegenden Seiten der Abspritzöffnungen 7 durch eine Schweißung im Bereich des äußeren Rands der abspritzseitigen Seite des Gehäuses 40 elektrisch leitend befestigt. Sie verlaufen ausgehend vom Gehäuse 40 zuerst parallel zu dem Verlauf der jeweils zugeordneten Mittelelektroden 39, 45, um auf gleicher Höhe wie die Mittelelektroden 39, 45 rechtwinklig abzuknicken. Die Enden der jeweiligen Mittelektroden 39, 45 und die Enden der jeweiligen Massenelektroden 38, 44 liegen sich gegenüber und sind durch in 3 näher dargestellte Funkenstrecken 41, 46 beabstandet.
Durch die Pfeile angedeutet, entzündet sich der als Spray 43 aus den mehreren Abspritzöffnungen 7 austretende Brennstoff an den beiden Funkenstrecken 41, 46. Der Rand des Sprays 43 bzw. die Funkenstrecken 41, 46 sind dabei so angeordnet, daß das Spray 43 möglichst dicht an den Funkenstrecken 41, 46 vorbei strömt ohne diese dabei direkt zu treffen oder mit Brennstoff zu benetzen. Durch das in nur kurzem Abstand vorbei strömende Spray 43 wird außerdem eine sog. "Entrainment-Strömung" erzeugt, die den Zündfunken aus der jeweiligen Funkenstrecke 41, 46 auslenkt und dadurch das Brennstoff-Luft-Gemisch zuverlässig zündet. Da sich die Funkenstrecken 41, 46 an gegenüberliegenden Seiten der Abspritzöffnungen 7 befinden, breiten sich zwei Flammenfronten im nicht dargestellten Brennraum aus, die zuerst voneinander weg gerichtet sind, dann zu einem nicht dargestellten Kolbenboden verlaufen und schließlich dort aufeinander zu laufen.
Die Zeit zur vollständigen Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches im nicht dargestellten Brennraum wird dadurch nahezu halbiert. Die beiden Funkenstrecken 41, 46 werden dabei gleichzeitig gezündet, wobei eine zeitlich versetzte Zündung denkbar ist, um beispielsweise unterschiedliche Laufzeiten der beiden Flammenfronten bei nicht symmetrischen Brennraumgeometrien zu berücksichtigen. Ebenso kann dies notwendig werden, wenn das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 nicht zentral in einem nicht dargestellten Brennraumdach angeordnet ist.
Radial im Bereich des abspritzseitigen Endes des Gehäuses 40 sind ein Temperatursensor 49 und ein Drucksensor 48 in das Gehäuse 40 eingebracht.
3 zeigt eine Draufsicht auf das abspritzseitige Ende des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 mit integrierter Zündvorrichtung. Deutlich sichtbar sind die Funkenstrecken 41, 46 an gegenüberliegenden Seiten der Abspritzöffnungen 7 angeordnet. In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen können auch mehr als zwei Funkenstrecken 41, 46 um die Abspritzöffnungen 7 angeordnet sein, wobei diese dann beispielsweise gleichmäßig und kreisförmig um die Abspritzöffnungen 7 angeordnet sind. Das Ende der ersten Mittelektrode 39 und das Ende der ersten Massenelektrode 38 sind aufeinander zu gerichtet. Das Ende der zweiten Mittelektrode 45 und das Ende der zweiten Massenelektrode 44 sind ebenso aufeinander zu gerichtet. Die Flächen der Enden der jeweiligen aufeinander zu gerichteten Elektroden 38, 39, 44, 45 verlaufen zueinander parallel.
Die Abstände der Enden der jeweiligen Elektrodenpaare betragen vorteilhafterweise nur 50 bis 300 Mikrometer. Die Höhe der Zündspannung kann dadurch abgesenkt und die Dicke der Isolierkörper 42, 47 verringert werden, ohne die Zuverlässigkeit des Brennstoffeinspritzventils 1 mit integrierter Zündvorrichtung zu beeinträchtigen, da das vorbei strömende Spray 43 die sog. "Entrainment-Strömung" erzeugt, die den nur kurzen Zündfunken auslenkt und in das Spray hineinzieht.
Die Zündung der beiden Funkenstrecken 41, 46 kann entweder über eine nicht dargestellte einzelne Zündspule durch Hintereinanderschalten, wobei dann eine der beiden Massenelektroden 38, 44 isoliert montiert oder durchgeführt werden muß, oder durch eine Doppelfunkenspule erfolgen.
Die Zündung von mehr als zwei Funkenstrecken 41, 46 (n = Anzahl der Funkenstrecken) kann entweder über eine einzelne Zündspule durch Hintereinanderschaltung, wobei dann die Massenelektroden von n – 1 Funkenstrecken isoliert montiert oder durchgeführt werden, oder durch Anwendung einer oder mehrerer Doppelfunkenspulen oder einer Kombination von Doppelfunkenspulen und Einzelzündspulen erfolgen.
Das beschriebene Brennstoffeinspritzventil 1 mit integrierter Zündvorrichtung läßt sich als Baueinheit mit einer oder mehreren in Achsrichtung dahinter angeordneten Zündspulen oder einer dahinter angeordneten Zündspule zusätzlich kombinieren.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und kann z.B. auch für nach außen öffnende oder drallerzeugende Brennstoffeinspritzventile 1 mit integrierter Zündvorrichtung verwendet werden.
Die Merkmale der Beschreibung und der Zeichnung können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1) mit integrierter Zündvorrichtung mit einem ersten Elektrodenpaar (38, 39) zum Zünden von direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine durch Abspritzöffnungen (7) des Brennstoffeinspritzventils (1) eingespritzten Brennstoff, wobei das Elektrodenpaar (38, 39) aus einer Massenelektrode (38) und einer Mittelelektrode (39) besteht, die durch eine Funkenstrecke (41) beabstandet sind, und wobei das Brennstoffeinspritzventil (1) und die Zündvorrichtung (38, 39, 41, 42) in einem gemeinsamen Gehäuse (40) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung (38, 39, 41, 42) zumindest eine weitere Funkenstrecke (46) und/oder ein weiteres Elektrodenpaar (44, 45) aufweist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenpaare (38, 39, 44, 45) so angeordnet sind, daß die Funkenstrecken (41, 46) gleichmäßig um die Abspritzöffnungen (7) herum verteilt sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecken (41, 46) auf einem Kreis um die Abspritzöffnungen (7) herum angeordnet sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspritzöffnungen (7) zentral innerhalb des Kreises angeordnet sind.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (40) aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Metall, besteht.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenelektroden (38, 44) der Elekrodenpaare (38, 39, 44, 45) mit dem Gehäuse (40) in gutem elektrisch leitendem Kontakt stehen.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenelektroden (38, 44) mit dem Gehäuse (40) durch Stoffschluß gefügt sind, insbesondere durch Schweißen oder Laserschweißen.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecken (41, 46) zwischen 50 Mikrometer und 300 Mikrometer lang sind.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (38, 39, 44, 45) zumindest teilweise aus Platin bestehen.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksensor (48) und/oder ein Temperatursensor (49) zur Druckmessung und/oder Temperaturmessung im Brennraum in das Gehäuse (40) integriert ist.