Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil
nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus der DE 197 36 682 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil
bekannt, welches u. a. Drallkanäle in einem Drallelement,
eine Drallkammer, einen Führungskörper zur unteren,
brennstoffstromabwärtigen Ventilnadelführung und einen
Ventilschließkörper aufweist. Die Drallkammer ist
stromabwärtig von einem Dichtsitz gegen eine Abspritzöffung
abgedichtet und stromaufwärtig durch einen Führungskörper
und einen Führungsabschnitt des Ventilschließköpers gegen
den Brennstoffstrom stromaufwärtig des Führungskörpers
abgedichtet. Diese abdichtende Wirkung ist notwendig, da
durch die Drallerzeugung in der Drallkammer gegenüber dem
stromaufwärtigen Brennstoffstrom ein Unterdruck in der
Drallkammer entsteht, der eine Brennstoffleckage durch den
Führungsspalt begünstigt. Die abdichtende Wirkung des
Führungskörpers im Zusammenspiel mit dem Ventilschließkörper
soll über die gesamte Lebensdauer des
Brennstoffeinspitzventils sicherstellen, daß die
Drallentwicklung in der Drallkammer nicht durch unzulässig
großen Zufluß von unverdralltem Brennstoff aus dem
Führungsspalt zwischen Führungskörper und
Ventilschließkörper wesentlich beeinträchtigt wird, da sich
sonst das Strahlbild bzw. der Strahlwinkel der in den
Brennraum abgespritzten Brennstoffwolke unzulässig
verändert. Da sich Verschleiß und Fertigungstoleranzen von
Führungskörper und Ventilnadelspitze nicht vermeiden lassen,
müssen sie berücksichtigt werden. Da die Drallentwicklung
bzw. die Drallintensität durch die konstruktiven Merkmale
des Brennstoffeinspritzventils fest vorgegeben ist und eine
bestimmte Brennstoffleckage von unverdralltem Brennstoff
berücksichtigt, darf die Zunahme der Leckage von
unverdralltem Brennstoff durch den Verschleiß des
Führungsspalts sich nur in bestimmten engen Grenzen bewegen.
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Für die aus der DE 197 36 682 A1 bekannte Anordnung ergeben
sich Nachteile. Zur Vermeidung erhöhtem Verschleißes der
stromabwärtigen Nadelführung wird das dortige Führungsspiel
klein dimensioniert. Dadurch steigt die durch den
Führungsspalt hindurchtretende Brennstoffmenge über die
Betriebszeit des Brennstoffeinspritzventils anfänglich
exponential an. Dies beruht auf der Tatsache, daß die
Druchflußzunahme bei Vergrößerung des Strömungsquerschnittes
zwischen Führungskörper und dem Führungsbereich der
Ventilnadelspitze zu Anfang exponential ansteigt und erst
oberhalb eines gewissen Wertes nicht mehr exponential
zunimmt, sondern zu größeren Strömungsquerschnitten bzw. zu
größerem Führungsspiel hin wieder abflacht, d. h. die
Steigung nimmt ab diesem Punkt wieder ab. Die durch diesen
Sachverhalt beschriebene Funktion hat somit einen
Wendepunkt. Wird das Führungsspiel bei der Herstellung
größer bemessen, kann die Druchflußzunahme dadurch zwar in
einen Bereich der beschriebenen Funktion verlagert werden,
in dem die Durchflußzunahme abnimmt. Dies hat jedoch den
Nachteil eines erhöhten Verschleißes im Führungsverlauf, der
aus dem Führungsabschnitt des Ventilschließkörpers und dem
Führungskörper gebildet wird.
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Insbesondere bei Brennstoffeinspritzventilen mit
kugelförmigen Ventilnadelspitzen kommen die zuvor genannten
Nachteile zum Tragen, da hier der abdichtende Bereich des
Führungsverlaufs nur durch den Kugeläquator und den
Führungskörper gebildet ist. Hier ist die Durchflußzunahme
bei herstellungsmäßig kleinem Führunsspiel anfänglich
verstärkt exponentiell ansteigend, so daß der maximal
zulässige Zustrom von unverdralltem Brennstoff meist gar
nicht oder nur durch extrem kleine und sehr teuere
Fertigungstoleranzen eingehalten werden kann.
Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den
Vorteil, daß es geringere Herstellungskosten verursacht, da
das Führungsspiel des Führungsverlaufs, das aus einem
Führungsabschnitt des Ventilschließkörpers und dem
Führungskörper gebildet ist, eine größere
Herstellungstoleranz aufweisen darf, ohne daß eine
unzulässig große Streuung der Leckage von unverdralltem
Brennstoff in die Drallkammer sich beim Betrieb entwickelt
und/oder durch Herstellungstoleranzen auftritt. Dies wird
erreicht durch die erfindungsgemäßen Strömungskanäle, die
den Leckagestrom erhöhen und so bewirken, daß Änderungen der
Leckage durch Fertigungstoleranzen und/oder Erhöhungen der
Leckage durch Verschleiß im Führungsverlauf im Vergleich zum
Brennstoffgesamtdurchfluß weniger ins Gewicht fallen und
somit auch die Drallentwicklung weniger beeinträchtigen. Die
konstruktiven Merkmale, die die Drallentwicklung bestimmen,
tragen dieser erhöhten Leckage bereits Rechnung.
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Durch das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil ist der
Leckagestrom von unverdralltem Brennstoff in die Drallkammer
schon zu Beginn der Lebensdauer des
Brennstoffeinspritzventils erhöht, um die Leckagezunahme im
Vergleich zur Brennstoffgesamtdurchflußmenge über die
gesamte Lebensdauer in einem tolerierbaren Bereich zu
halten, ohne das Führungsspiel der unteren
Ventilnadelführung bei der Herstellung größer bemessen zu
müssen. Dadurch wird eine erhöhte Verschleißanfälligkeit des
Führungsverlaufs, der aus einem Führungsabschnitt des
Ventilschließkörpers und dem Führungskörper gebildet ist,
vermieden.
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Besonders vorteilhaft kann die Erfindung bei
Brennstoffeinspritzventilen mit kugelförmigem
Ventilschließkörper angewandt werden. Bei solchen Ventilen
ist die hydraulische Abdichtung, infolge des kurzen
Führungsabschnitts des Venilschließkörpers, der durch den
Kugeläquator gebildet ist, und der daraus folgenden kurzen
Dichtlänge des Führungsverlaufs, erhöht abhängig vom
Führungsspiel. Bei solchen Ventilen ist die Durchflußzunahme
ohne die erfinderische Maßnahme bei anfänglich kleinem
Führungsspiel infolge der Aufweitung des Spiels durch
Verschleiß in verstärktem Maße exponentiell ansteigend. Auch
ein durch Fertigungstoleranzen aufgeweitetes Führungsspiel
bewirkt einen verstärkt exponentiell gesteigerten Durchfluß
durch den Führungsspalt.
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Das erfindungsgemäße Ventil verursacht geringere
Herstellungskosten da die Fertigungstoleranzen großzügiger
gewählt werden können, ohne eine unzulässige
Beeinträchtigung der Drallentwicklung in Kauf nehmen zu
müssen.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Vorzugsweise wird der Querschnitt des oder der
Strömungskanäle so groß bemessen, daß der Wendepunkt, ab dem
die Durchflußzunahme des Leckagestroms über dem
Führungsspiel nicht mehr ansteigt, sondern abfällt, bereits
zu Beginn der Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils
erreicht ist oder überschritten wird. Somit wird durch die
abflachende Funktion der Einfluß von Fertigungstoleranzen
und Verschleiß im Bereich des Führungsverlaufs, der aus
einem Führungsabschnitt des Ventilschließkörpers und dem
Führungskörper gebildet ist, noch weiter vermindert.
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Durch die Einbringung der Strömungskanäle im
Führungsabschnitt des Ventilschließkörpers und/oder dem
Führungskörpers lässt sich insbesondere die Herstellung
leichter fertigungstechnischen Gegebenheiten anpassen.
Kreissegmentförmige Strömungskanäle, sog. Flächenanschliffe,
lassen sich besonders vorteilhaft auf kugelförmigen
Ventilschließkörpern realisieren.
Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein erstes
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Brennstoffeinspritzventils;
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Fig. 2 einen schematischen Teilschnitt durch das in Fig.
1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im
Bereich des Ventilsitzkörpers;
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Fig. 3 einen schematischen Teilschnitt durch ein zweites
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Brennstoffeinspritzventils im Bereich des
Ventilsitzkörpers, jedoch mit kugelförmigem
Ventilschließkörper;
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Fig. 4 einen schematischen Teilschnitt eines dritten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Brennstoffeinspritzventils mit Strömungskanälen,
eingebracht entlang der Innenfläche der
Führungsöffnung, und
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Fig. 5 die statische Durchflußmenge Qstat als Funktion des
Führungsspiels sp.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
beispielhaft beschrieben. Im folgenden sind übereinstimmende
Bauteile in den Figuren jeweils mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen.
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Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 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.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 besteht aus einem
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.
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Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen den
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.
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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 einen 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.
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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, vermeidet Prellen beim
Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1.
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In der Ventilnadelführung 14 und im Anker 20 verlaufen
Brennstoffkanäle 30a und 30b. Der Brennstoff wird über eine
zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein
Filterelement 25 gefiltert. In einer eine Dralleinrichtung
42 bildenden Drallscheibe 43 sind Drallkanäle 34 sowohl zur
Brennstoffleitung als auch zur Drallerzeugung vorgesehen.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28
gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffzuleitung und
eine Dichtung 41 gegen einen nicht dargestellten
Zylinderkopf abgedichtet.
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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 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 und
der über die Drallkanäle 34 im Ventilsitzkörper 5 zugeführte
Brennstoff wird abgespritzt.
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Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach
genügendem Abbau des Magnetfeldes durch die Kraft der
Rückstellfeder 23 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich der mit
der Ventilnadel 3 in Wirkverbindung stehende 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.
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Das in Fig. 2 ausschnittsweise vergrößert dargestellte
abspritzseitige Ende des erfindungsgemäßen
Brennstoffeinspritzventils 1 aus Fig. 1 umfaßt insbesondere einen
Ventilsitzkörper 5, Drallkanäle 34, eine Drallkammer 35, den
Führungskörper 37 und einen zylinderförmigen
Ventilschließkörper 4 mit Strömungskanälen 36. Bei
Einströmen des Brennstoffs in die Drallkammer 35 bildet sich
eine umfänglich gerichtete Drallströmung aus. Gleichzeitig
bewirkt der in der Drallkammer 35 entstehende Unterdruck,
daß durch den Führungsverlauf, der aus dem Führungsabschnitt
38 des Ventilschließkörpers 4 und dem Führungskörper 37
gebildet ist, Brennstoff in geringen Mengen angesaugt wird
der sich stromaufwärts des Führungskörpers 37 befindet.
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Der Brennstoff der entlang des Führungsverlaufs durch die
Strömungskanäle 36 und durch den Führungsspalt 40 in die
Drallkammer 35 gelangt, ist weitgehend unverdrallt da er die
Dralleinrichtung 42 mit den Drallkanälen 34 umgeht. In
diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Strömungkanal
36 über den Führungsverlauf hinaus, um die Durchflußerhöhung
des unverdrallten Strömungsanteils sicherzustellen. Der
Ventilschließkörper 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel
zylinderförmig ausgebildet, und die Strömungskanäle 36 sind
in den Ventilschließkörper 4 eingebrachte, axial verlaufende
Rillen.
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Fig. 3 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein
zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Brennstoffeinspritzventils 1 ähnlich des ersten
Ausführungsbeispiels, jedoch mit kugelförmigem
Ventilschließkörper 4. Auch hier entsteht bei Eintritt von
Brennstoff in die Drallkammer 35 durch die Drallkanäle 34
ein Unterdruck, der Brennstoff durch den Führungsverlauf
ansaugt. Der Brennstoff strömt unverdrallt durch den
Führungsspalt 40, der sich aus dem Führungsspiel zwischen
Führungskörper 37 und dem Führungsabschnitt 38 des
Ventilschließkörpers 4 ergibt, und außerdem durch die
abgebildeten Strömungskanäle 36. In diesem
Ausführungsbeispiel sind die Strömungskanäle 36 als
Flächenanschliffe auf dem kugelförmigen Ventilschließkörper
4 eingebracht.
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Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 in welchem
die Strömungskanäle 36 entlang der Innenfläche der
Führungsöffnung 39 in den Führungskörper 37 eingebracht
sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten
Ausführungsbeispiele beschränkt und z. B. für beliebige
Bauformen von Brennstoffeinspritzventilen 1, insbesondere
auch für nach außen öffnende Brennstoffeinspritzventile 1,
anwendbar.
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Fig. 5 zeigt die statische Durchflußmenge QStat durch den
Führungsbereich als Funktion des Führungsspiels sp für
Brennstoffeinspritzventile 1. Brennstoffeinspritzventile 1
ohne die erfindungsgemäßen Strömungskanäle 36 befinden sich
im Bereich I von Fig. 5, d. h. unterhalb des Wendepunktes
spw, so daß eine Vergrößerung des Führungsspiels sp zu einer
Vergrößerung der Zunahme der statischen Druchflußmenge
dQStat/dsp führt. Durch die erfindungsgemäßen
Strömungskanäle 36 erfolgt infolge der Zusatzströmung eine
Verlagerung in den Bereich II oberhalb des Wendepunktes spw.
In diesem Bereich II ist eine verschleißbedingte Zunahme des
Spiels sp mit einer Verringerung der Zunahme der statischen
Durchflußmenge dQStat/dsp verbunden, so daß sich der
Verschleiß weniger gravierend auswirkt.