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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung einen Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
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Aus der
DE 101 64 123 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil zur direkten Einspritzung von Dieselbrennstoff in eine Brennkraftmaschine bekannt. Das bekannte Brennstoffeinspritzventil weist ein Ventilgehäuse mit einem Brennstoffeinlassstutzen auf. Dabei ist innerhalb des Ventilgehäuses ein Kanal zur Durchleitung von Brennstoff ausgebildet, der von dem Brennstoffeinlassstutzen zu einem Druckraum führt. Der Druckraum ist in Abspritzrichtung gesehen unterhalb eines Servosteuerkreislaufs des Brennstoffeinspritzventils vorgesehen. Von diesem Kanal zweigt auf der Höhe der Hubübersetzungseinrichtung eine Zulaufdrossel ab, über die Brennstoff aus dem Kanal in einen Steuerraum des Servosteuerkreislaufs geführt wird. Ferner ist eine Ablaufdrossel vorgesehen, die den Steuerraum mit einem Schaltventil verbindet. Um eine Einspritzung von Brennstoff in die Brennkraftmaschine zu erzielen, wird das Schaltventil kurzzeitig geöffnet, so dass der Druck im Steuerraum des Servosteuerkreislaufs kurzzeitig absinkt, wodurch Brennstoff aus dem Druckraum in eine Kammer der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Das aus der
DE 101 64 123 A1 bekannte Brennstoffeinspritzventil hat den Nachteil, dass die Schaltgeschwindigkeit des Magnetventils begrenzt ist, so dass auch die Formung des Einspritzverlaufs, insbesondere hinsichtlich kurzer Einspritzzeiten, begrenzt ist.
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Zusätzlich ist aus der
DE 100 39 076 ein Brennstoffeinspritzventil mit einer Magnetspule bekannt, die mit einem Anker zusammenwirkt, wobei an einem Verbindungsbereich zwischen Innenpol und Außenpol mindestens ein Permanentmagnet angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass weitergehende Formungen des Einspritzverlaufs möglich sind.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In vorteilhafter Weise ist die Magnetspule zum Betätigen der Düsennadel so bestrombar, dass eine Abstoßung des Ankers von der Magnetspule bewirkt ist, wobei der Anker in einer Grundstellung, in der der zwischen der Düsennadel und der Ventilsitzfläche gebildete Dichtsitz geschlossen ist, in der Nähe der Magnetspule angeordnet ist. Dadurch ist ein Brennstoffeinspritzventil mit einem Magnetventil geschaffen, bei dem eine kurze Schaltzeit zum Öffnen der Ventilnadel erzielt werden kann. Da die Magnetspule so bestrombar ist, dass ein Abstoßen des Ankers von der Magnetspule bewirkt ist, ergibt sich gerade anfangs, das heißt bei der Grundstellung beginnend, eine relativ große magnetische Kraft auf den Anker, die zu einer großen Beschleunigung des Ankers führt. Somit kann eine hohe Schaltgeschwindigkeit zum Öffnen der Ventilnadel erzielt werden.
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Vorteilhaft ist es, dass die Magnetspule einen ferromagnetischen Spulenkörper aufweist und dass in einer Grundstellung, in der die Magnetspule unbestromt ist, der Anker von dem Spulenkörper angezogen ist. Dadurch hält sich das Magnetventil selbstätig in der Grundstellung, so dass insbesondere Federelemente, speziell Federn, die zum Rückstellen des Magnetventils in die Grundstellung dienen würden, entfallen können. Die Grundstellung ist dann auch ohne ein zusätzliches Federelement definiert.
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In vorteilhafter Weise ist die Magnetspule zum beschleunigten Rückstellen des Ankers in seine Grundstellung so bestrombar, dass eine Anziehung des Ankers von der Magnetspule bewirkt ist. Dadurch kann auch eine hohe Schließgeschwindigkeit erzielt werden. Ferner kann das Magnetventil dann nur eine Magnetspule aufweisen, mit der das Magnetventil mittels des Servosteuerkreislaufs die Düsennadel so steuert, dass ein Öffnen und ein Schließen des Dichtsitzes zwischen der Ventilsitzfläche und der Düsennadel erreicht werden kann. Somit ergibt sich eine kostengünstige Ausgestaltung und eine hohe Zuverlässigkeit des Brennstoffeinspritzventils.
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In vorteilhafter Weise ist der Spulenkörper als ringförmiger Spulenkörper mit einem U-förmigen Profil ausgestaltet, wobei eine Drahtwicklung der Magnetspule innerhalb des U-förmigen Profils des ringsförmigen Spulenkörpers angeordnet ist. Ferner ist vorteilhaft, dass der Anker in geeigneter Weise gegen magnetische Zugkräfte, die durch den ferromagnetischen Spulenkörper verstärkt sind, geschützt ist. Hierfür kann eine Beschichtung oder Verpackung des Ankers erfolgen, die auch teilweise ausgeführt sein kann. Insbesondere kann der Anker in glasfaserverstärktem Kunststoff eingegossen sein. Außerdem kann der Anker in Aluminiumplatten eingeklebt sein oder zwischen austenitischen Eisenplatten eingeklammert oder eingepresst sein.
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Vorteilhaft ist es, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die vor einem Erreichen einer Endstellung des Magnetventils die Magnetspule kurzzeitig in einer Gegenrichtung bestromt. Hierdurch können gezielt magnetische Kräfte zum Abbremsen der Nadel erzeugt werden, um ein mechanisches Prellen der Nadel an der Endstellung zu verhindern. Dadurch kann der Einspritzverlauf weiter verbessert werden.
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Vorteilhaft ist es, dass der Servosteuerkreislauf einen Steuerraum und einen Ablauf mit einer Ablaufdrossel aufweist, der den Steuerraum mit einem Steuerventilraum verbindet, und dass das Magnetventil zum Betätigen der Düsennadel den Ablauf mit einem Rücklauf verbindet. Ferner, dass das Magnetventil zum Schließen der Düsennadel die Verbindung des Ablaufs mit dem Rücklauf sperrt und dass das Magnetventil zum Schließen der Düsennadel den Ablauf mit einem Brennstoffraum verbindet. Dadurch ist eine Rückbefüllung des Steuerraums über den Ablauf in Gegenrichtung möglich, so dass hohe Schaltgeschwindigkeiten erzielbar sind. Dabei ist es ferner vorteilhaft, dass die Verbindung des Ablaufs mit dem Brennstoffraum über einen Verbindungskanal erfolgt, wobei ein Ventilschließkörper des Magnetventils zum Schließen der Düsennadel den Verbindungskanal freigibt. Das Magnetventil kann dabei als 3/2-Ventil ausgebildet sein.
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Vorteilhaft ist es, dass der permanent magnetisierte Anker einen ringförmigen Dauermagneten mit zwei konzentrisch angeordneten, in radialer Richtung beabstandeten Polen aufweist. Dabei liegt eine Curietemperatur (Depolarisationstemperatur) der Dauermagnete jeweils über 100°C. Die Curietemperatur gibt an, ab welcher Temperatur der Magnet seine Magnetisierung verliert. Wenn die Curietemperatur über 100°C liegt, ist sichergestellt, dass während des normalen Betriebs des Brennstoffeinspritzventils keine Entmagnetisierung der Dauermagnete auftritt.
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In vorteilhafter Weise liegt eine Remanenz der Dauermagnete jeweils über 0,3 T. Dadurch ist eine relativ kleine Ausgestaltung des Magnetvolumens möglich. Eine Ausgestaltung der Dauermagnete aus Neodym und/oder Eisen und/oder Bor hat den Vorteil, dass auf Grund einer relativ hohen Energiedichte ein sehr kleines Bauvolumen ermöglicht ist und/oder große Magnetkräfte beziehungsweise kurze Schaltzeiten ermöglicht sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils der Erfindung in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 der Erfindung in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Speziell eignet sich das Brennstoffeinspritzventil 1 für Nutzkraftwagen oder Personenkraftwagen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein mehrteiliges Ventilgehäuse 2 auf, das mittels einer Düsenspannmutter 3 mit einem Düsenkörper 4 verbunden ist. An dem Düsenkörper 4 ist ein Ventilsitzfläche 5 ausgebildet, die mit einem Ventilschließkörper 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Der Ventilschließkörper 6 ist dabei einstückig mit einer Düsennadel 7 ausgebildet, die in einem Brennstoffraum 8 des Düsenkörpers 4 angeordnet ist. Das Ventilgehäuse 2 weist einen vereinfacht dargestellten Brennstoffeinlassstutzen 9 auf, der durch einen Kanal 10 in dem Ventilgehäuse 2 und einen Kanal 11 in einer Drosselplatte 12, die innerhalb des Ventilgehäuses 2 angeordnet ist, in den Brennstoffraum 8 einführbar ist. Der Brennstoffeinlassstutzen 9 ist über eine geeignete Hochdruckleitung mit einer Hochdruckpumpe verbunden, wobei die Verbindung über ein Common-Rail erfolgen kann.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist einen Servosteuerkreislauf 15 auf. Ein Steuerraum 16 des Servosteuerkreislaufs 15 ist durch die Drosselplatte 12, eine Steuerraumhülse 17 und einen Kolbenabschnitt 18 der Düsennadel 7 begrenzt. Dabei wird die Steuerraumhülse 17 über ein Federelement 19 gegen die Drosselplatte 12 gepresst. In Abhängigkeit von dem im Steuerraum 16 herrschenden Druck kommt es zu einer resultierenden Kraft auf die Düsennadel 7, die ein Öffnen oder ein Schließen des Ventilschließkörpers 6 bewirkt, so dass der zwischen der Ventilsitzfläche 5 und dem Ventilschließkörper 6 gebildete Dichtsitz geöffnet beziehungsweise geschlossen ist, wobei im geöffneten Zustand Brennstoff über eine Düsenöffnung 20 aus dem Brennstoffraum 8 in eine Brennkammer der Brennkraftmaschine abspritzbar ist.
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Ferner weist das Brennstoffeinspritzventil 1 ein Magnetventil 25 auf, das innerhalb des Ventilgehäuses 2 vorgesehen ist. Das Magnetventil 25 weist eine Ventilnadel 26, einen mit der Ventilnadel 26 verbundenen Ventilschließkörper 27 und einen Anker 28 auf. Dabei ist der Ventilschließkörper 27 an einem Ende der Ventilnadel 26 vorgesehen und zumindest teilweise innerhalb eines Steuerventilraums 29 angeordnet. Der mit der Ventilnadel 26 verbundene Anker 28 ist permanent magnetisiert und weist hierfür beispielsweise einen Dauermagneten 30 auf. Der Dauermagnet 30 kann dabei ringförmig ausgestaltet sein. Als Magnetmaterial für den Dauermagneten 30 kann je nach den erforderlichen Kräften ein Ferritmaterial oder Neodym und/oder Eisen und/oder Bor eingesetzt sein. Das Magnetmaterial kann über einen Sintervorgang in die gewünschte Form, insbesondere eine Ringform, gebracht werden. Auf den Außendurchmesser beziehungsweise Innendurchmesser des so entstandenen Rings kann jeweils eine magnetische Polarität aufmagnetisiert werden, um den Dauermagneten 30 auszubilden. Die magnetische Polarisierung des Dauermagneten 30 des Ankers 28 ist in der 1 durch „N” für Nordpol und „S” für Südpol veranschaulicht. Der Anker 28 ist in einem Ankerraum 31 des Ventilgehäuses 2 angeordnet, so dass eine gewisse Verstellbewegung des Ankers 28 und somit eine Verstellung des mit der Ventilnadel 26 verbundenen Ventilschließkörpers 27 in dem Steuerventilraum 29 möglich ist.
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Das Magnetventil 25 weist außerdem eine Magnetspule 32 auf, die dem Anker 28 zugeordnet ist. Die Magnetspule 32 umfasst einen ringförmigen Spulenkörper 33 mit einem U-förmigen Profil und eine Drahtwicklung 34, die innerhalb des U-förmigen Profils des ringförmigen Spulenkörpers 33 angeordnet ist. Die Enden der Drahtwicklung 34 sind mit einer Steuereinrichtung 35 verbunden, das sowohl die Stärke des Stroms durch die Drahtwicklung 34 der Magnetspule 32 als auch die Stromrichtung durch die Drahtwicklung 34 steuert. Der Dauermagnet 30 des Ankers 28 ist in Bezug auf den Spulenkörper 33 positioniert, wobei der Südpol einem äußeren Bereich des Spulenkörpers 33 zugeordnet ist und der Nordpol einem inneren Bereich des Spulenkörpers 33 zugeordnet ist.
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In der in der 1 dargestellten Grundstellung, in der die Magnetspule 32 nicht bestromt ist, wird der Dauermagnet 30 des Ankers 28 von dem ferromagnetischen Spulenkörper 33 angezogen, so dass sich das Magnetventil 25 selbstätig in der Grundstellung hält. Dadurch schließt der Ventilschließkörper 27 eine Verbindung zwischen dem Steuerventilraum 29 und einem durch den Ankerraum 31 geführten Rücklauf 36. Der Rücklauf 36 ist mit einem Tank oder dergleichen verbindbar.
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Die Magnetspule 32 ist mittels der Steuereinrichtung 35 so bestrombar, dass eine magnetische Abstoßung des Ankers 28 von der Magnetspule 32 erreichbar ist. Die dabei auftretende Kraft auf den Anker 28 ist gerade in der Anfangsphase, das heißt ausgehend von der in der 1 dargestellten Grundstellung, relativ groß, da der Anker 28 relativ nahe an der Magnetspule 32 positioniert ist. Somit wird eine hohe Beschleunigung des Ankers 28 und somit auch des Ventilschließkörpers 27 zur Betätigung der Düsennadel 7 mittels des hydraulischen Kopplers 15 erreicht. Dabei öffnet der Ventilschließkörper 27 die Verbindung zwischen dem Steuerventilraum 29 und dem Rücklauf 36. Zum erneuten Sperren der Verbindung zwischen dem Steuerventilraum 29 und dem Rücklauf 36 kann die Magnetspule 32 mittels der Steuereinrichtung 35 stromlos geschaltet werden. Zwischen dem Dauermagnet 30 und dem Spulenkörper 33 der Magnetspule 32 bildet sich dann eine anziehende Kraft aus, die zur Rückstellung des Ankers 28 in die in der 1 dargestellte Grundstellung führt. Zur beschleunigten Rückstellung des Ankers 28 und somit der Ventilnadel 26 in die in der 1 dargestellte Grundstellung kann die Steuereinrichtung 35 die Magnetspule 32 auch in umgekehrter Richtung bestromen, so dass eine verstärkte Anziehung des Dauermagneten 30 des Ankers 28 von der Magnetspule 32 erzielt ist. In Abhängigkeit von der Stromstärke durch die Drahtwicklung 34 und der Stromrichtung kann die Verstellung der Ventilnadel 26 und somit der Einspritzverlauf auf vielfältige weise variiert werden.
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Beim Betätigen der Magnetspule 32 kann die Steuereinrichtung 35 außerdem vor dem Erreichen einer Endstellung der Ventilnadel 26, bei der ein Nadelprellen auftreten kann, den Strom durch die Drahtwicklung 34 so steuern, dass der Anker 28 abgebremst wird. Dadurch kann ein Nadelprellen verhindert oder zumindest verringert werden.
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Im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 befindet sich im Brennstoffraum 8 unter hohem Druck stehender Brennstoff. Der Brennstoff aus dem Brennstoffraum 8 fließt über eine Zulaufdrossel 40, die in der Steuerraumhülse 17 ausgebildet ist, in den Steuerraum 16. Ferner weist die Drosselplatte 12 einen Ablauf 41 mit einer Ablaufdrossel 42 auf, der den Steuerraum 16 mit dem Steuerventilraum 29 verbindet. Ferner weist die Drosselplatte 12 einen Verbindungskanal 43 auf, der den Brennstoffraum 8 mit dem Steuerventilraum 29 verbindet. In der in der 1 dargestellten Ausgangsstellung ist der Verbindungskanal 43 zum Steuerventilraum 29 hin geöffnet, so dass sich im Steuerventilraum 29 ebenfalls unter hohem Druck stehender Brennstoff befindet, wodurch der zwischen dem Ventilschließkörper 6 und der Ventilsitzfläche 5 gebildete Dichtsitz geschlossen ist. Beim Betätigen des Magnetventils 25 wird der Verbindungskanal 43 gesperrt und der Steuerventilraum 29 mit dem Rücklauf 36 verbunden. Dadurch kommt es zum Abfließen von Brennstoff aus dem Steuerraum 16 über den durch die Ablaufdrossel 42 gedrosselten Ablauf 41 in den Steuerventilraum 29. Somit sinkt der Druck des Brennstoffs im Steuerventilraum 16 ab, wodurch die resultierende Kraft auf die Düsennadel 7 ein Öffnen des Dichtsitzes zwischen dem Ventilschließkörper 6 und der Ventilsitzfläche 5 bewirkt und Brennstoff über die Düsenöffnung 20 abgespritzt wird. Durch Rückstellen des Magnetventils 25 in die in der 1 dargestellten Grundstellung wird der als Zulaufbohrung ausgestaltete Verbindungskanal 43 wieder freigegeben, so dass Brennstoff aus dem Brennstoffraum 8 in den Steuerventilraum 29 einfließen kann. Dadurch steigt auch der Druck im Steuerraum 16, so dass die Düsennadel 7 wieder in die in der 1 dargestellten Ausgangsstellung zurückgestellt wird. Hierbei kann der Steuerraum 16 zusätzlich rückwärts über den durch die Ablaufdrossel 42 gedrosselten Ablauf 41 befüllt werden. Dies führt zu einem schnelleren Schließen der Düsennadel 7. Das Magnetventil 25 kann somit eine 3/2-Funktion ausüben.
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Der Anker 28, insbesondere der Dauermagnet 30, ist auf geeignete Weise gegen Zugkräfte geschützt. Beispielsweise können nicht magnetische Platten 44, 45 vorgesehen sein, die mit dem Anker 28 durch Kleben oder dergleichen verbunden sind. Die nicht magnetischen Platten 44, 45 können aus Aluminium oder einem austenitischen Stahl gebildet sein. Der Anker 28 kann auch zumindest teilweise mit einem glasfaserverstärkten Kunststoff umspritzt sein. In diesem Fall kann anstelle der nicht magnetischen Platten 44, 45 der glasfaserverstärkte Kunststoff vorgesehen sein. Die Verbindung der nicht magnetischen Platten 44, 45 kann auch durch Klammern oder Einpressen erfolgen.
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Vorzugsweise ist zumindest die magnetische Platte 44 vorgesehen, die auf der Seite des Ankers 28 angeordnet ist, die der Magnetspule 32 zugewandt ist. Dadurch wird die mechanische Stabilität des Ankers 28, insbesondere die Befestigungsdauer des Magneten 30 innerhalb des Ankers 28, verbessert. In einem Fall, in dem der Anker 28 teilweise in einen glasfaserverstärkten Kunststoff eingegossen ist, ist zumindest anstelle der nicht magnetischen Platte 44 ein glasfaserverstärkter Kunststoff vorgesehen, um den Anker 28 auf entsprechende Weise zu schützen.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 hat den besonderen Vorteil, dass zum Betätigen der Düsennadel 7 mittels des Servosteuerkreislaufs 15, der den Steuerraum 16, die Zulaufdrossel 40, den Ablauf 41 mit der Ablaufdrossel 42 und den Verbindungskanal 43 umfasst, gerade in der Anfangsphase, in der der Ventilschließkörper 27 aus seinem Sitz gehoben wird und in der in der Regel die größten hydraulischen Kräfte überwunden werden, auf Grund der nahen Anordnung des Ankers 28 an der Magnetspule 32 eine große abstoßende Magnetkraft erzeugt wird, die ein rasches Schalten ermöglicht. Somit können auch relativ kurze Einspritzzeiten oder mehrere Einspritzungen während eines Einspritzzyklus bewerkstelligt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere eignet sich die Erfindung für servogesteuerte Injektoren, wie sie beispielsweise bei der Diesel-Direkteinspritzung eingesetzt werden.
