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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 Abspritzöffnung 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
bzw. durch Fertigungstoleranzen 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 Durchflußzunahme
bei Vergrößerung des
Strömungsquerschnittes
zwischen Führungskörper und dem
Führungsabschnitt
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.
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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
Führungsspiel
anfänglich
verstärkt exponentiell
ansteigend, so daß die
maximal zulässige
Zunahme des Zustroms, verursacht durch Fertigungstoleranzen und
Verschleiß,
von unverdralltem Brennstoff in die Drallkammer, meist gar nicht
oder nur durch extrem kleine und sehr teuere Fertigungstoleranzen
eingehalten werden kann.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil,
daß es
geringere Herstellungskosten verursacht, da das Führungsspiel,
das durch einen Spalt zwischen Führungsabschnitt
des Ventilschließkörpers und
dem Führungskörper am
engsten Verlauf gebildet ist, eine größere Herstellungstoleranz aufweisen
darf, ohne daß eine unzulässig große Leckage
von unverdralltem Brennstoff in die Drallkammer sich beim Betrieb
entwickelt und/oder durch Herstellungstoleranzen auftritt. Dies wird
erreicht durch die erfindungsgemäße Wahl
des Führungsspiels.
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
durch den Spalt zwischen Führungsabschnitt
des Ventilschließkörpers und
dem Führungskörper am
engsten Verlauf so gewählt,
daß der
Gesamtdurchfluß Qstat zu Beginn der Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils
schon in einem Bereich liegt, der bereits jenseits des Wendepunktes
der zuvor beschriebenen Funktion liegt. Tritt bei der Herstellung
des Führungsabschnitts
des Ventilschließkörpers und
des Führungskörpers, also
des Führungsspiels,
der Fall einer maximal erlaubten Herstellungstoleranz auf, also
ein herstellungsseitig maximales Führungsspiel, so liegt der Gesamtdurchfluß Qstat nach besagtem Wendepunkt. Im Falle eines Auftretens
einer minimalen Herstellungstoleranz liegt Qstat Idealerweise
auf dem Wendepunkt. In jedem der zwei geschilderten Fälle würde sich
bei der Aufweitung des Führungsspiels
durch Verschleiß die
Zunahme des Gesamtdurchflusses Qstat verringern.
In gleicher Weise wirken sich Streuungen der Herstellungsmaße des Führungsspiels,
also Herstellungstoleranzen, weniger auf den Leckagestrom und damit auf
den Gesamtdurchfluß Qstat aus. Es wird somit insbesondere erreicht,
daß der
Strahlwinkel des eingespritzten Brennstoffs sich weder durch Herstellungstoleranzen
noch durch Verschleiß unzulässig verändert. Bei
der Herstellung kann auf sehr teuere kleine Herstellungstoleranzen
verzichtet werden.
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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 Ventilschließkörpers, der
durch den Kugeläquator
gebildet ist, und der daraus folgenden kurzen Dichtlänge des
Führungsverlaufs,
in besonderem Maße
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 Spalt, der zwischen
Führungsabschnitt
des Ventilschließkörpers und
dem Führungskörper am
engsten Verlauf gebildet ist.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
verursacht somit in doppelter Hinsicht geringere Herstellungskosten.
Zum einen erlaubt es den Einsatz von Brennstoffeinspritzventilen
mit kugelförmigem
Ventilschließkörper, die
in der Herstellung preisgünstiger
sind. Zum anderen können
Fertigungstoleranzen großzügiger gewählt werden,
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 werden die Herstellungstoleranzen
von Führungskörper und/oder
Führungsabschnitt
des Ventilschließkörpers so
aufeinander abgestimmt, daß sich
die Herstellungskosten für
die Herstellung beider Teile minimieren. Bei Brennstoffeinspritzventilen
mit magnetischen Betätigungselementen
ist es meist so, daß die
Ventilnadel in ihrem vorhandenen Führungsspiel durch die magnetischen Kräfte an einer
Seite zum Anliegen gebracht wird. Dies verursacht einen sichelförmigen Spalt.
Bei gleichem Führungsspiel
bieten sichelförmige
Spalte gegenüber
ringförmigen
Spalten weniger Strömungswiderstand,
weisen also höhere
Leckageströme
auf bei gleichzeitig steilerem Kurvenverlauf vor dem Wendepunkt
spw. Wie bereits beschrieben, eignet sich
die Erfindung insbesondere für
Brennstoffeinspritzventile mit kugelförmigen und zylinderförmigen Ventilschließkörpern. Durch
die sehr kurze Dichtlänge
im Führungsspiel
bei Brennstoffeinspritzventilen mit kugelförmigen Ventilschließkörper ist
der Kurvenverlauf der beschriebenen Funktion bei gleichem Führungsspiel
vor dem Wendepunk spw steiler als bei Brennstoffeinspritzventilen
mit zylinderförmigem
Ventilschließkörper.
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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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1 einen
schematischen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils;
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2 einen
schematischen Teilschnitt durch das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
im Bereich II von 1;
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3 einen
schematischen Teilschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
mit kugelförmigem Ventilschließkörper; und
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4 die
statische Durchflussmenge Qstat als Funktion
des Führungsspiels
sp.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung beispielhaft beschrieben. Übereinstimmende Bauteile sind
dabei in allen Figuren mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen.
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Das in 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, welches über eine Abspritzöffnung 7 verfügt. 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 Verengung 26 voneinander getrennt und miteinander
durch ein nicht ferromagnetisches Verbindungsbauteil 29 verbunden.
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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In der Ventilnadelführung 14 und
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.
Eine eine Dralleinrichtung 41 bildende Drallscheibe 38 mit
in 1 nicht weiter dargestellten,
eingelassenen Drallkanälen 39 dient
sowohl zur Brennstoffleitung als auch zur Drallerzeugung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch
eine Dichtung 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffzuleitung
und eine Dichtung 37 gegen einen nicht dargestellten Zylinderkopf
abgedichtet.
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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 kraftschlüssig mit
der Ventilnadel 3 verbunden ist.
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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 Brennstoffkanäle 30 bis 32 und
der Drallscheibe 38 geführte
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 2 ausschnittsweiße vergrößert dargestellte
abspritzseitige Ende des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 aus 1 umfaßt insbesondere einen Ventilsitzkörper 5,
eine eine Dralleinrichtung 41 zur Erzeugung eines Dralls
bildende Drallscheibe 38 mit Drallkanälen 39, eine Drallkammer 40,
den Führungskörper 36 und
einen zylinderförmigen
Ventilschließkörper 4.
Der Führungskörper 36 und
die Drallscheibe 38 sind durch eine Schweißnaht 44 am
Ventilsitzkörper 5 angebracht.
Am auslaßseitigen
Ende der Drallkanäle 39 befindet
sich die Drallkammer 40, die weiterhin begrenzt wird durch
den Ventilschließkörper 4,
den Ventilsitzkörper 5 und
den Führungskörper 36.
Beim Einströmen
des Brennstoffs in die Drallkammer 40 bildet sich eine
umfänglich
gerichtete Drallströmung
aus. Gleichzeitig bewirkt ein in der Drallkammer 40 entstehender
Unterdruck, daß durch
ein Führungsspiel, welches
durch einen Spalt 42, der aus dem Führungsabschnitt 43 des
Ventilschließkörpers 4 und dem
Führungskörper 36 am
engsten Verlauf gebildet ist, Brennstoff in geringen Mengen angesaugt
wird der sich stromaufwärts
des Führungskörpers 36 befindet.
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Der Brennstoff der durch den Spalt 42 in
die Drallkammer 40 gelangt, ist weitgehend unverdrallt, da
er die Dralleinrichtung 41 mit den Drallkanälen 39 umgeht.
Der Ventilschließkörper 4 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
zylinderförmig
ausgebildet.
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3 zeigt
in einer schematischen Schnittdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 ähnlich dem
ersten Ausführungsbeispiel,
jedoch mit kugelförmigem
Ventilschließkörper 4.
Auch hier entsteht bei Eintritt von Brennstoff in die Drallkammer 40 ein
Unterdruck, so daß Brennstoff
durch das Führungsspiel,
welches durch den Spalt 42 zwischen Führungskörper 36 und dem Führungsabschnitt 43 des
Ventilschließkörpers 4 am
engsten Verlauf gebildet ist, angesaugt wird.
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4 zeigt
die statische Durchflussmenge Qstat durch das Führungsspiel, welches durch
den Spalt 42 zwischen dem Führungsabschnitt 43 des Ventilschließkörpers 4 und
dem Führungskörper 36 am
engsten Verlauf gebildet ist, als Funktion des Führungsspiels sp für Brennstoffeinspritzventile 1. Ohne
die erfindungsgemäße Maßnahme beginnt
der Kurvenverlauf an einem Punkt im Bereich I vor dem Wendepunkt
spw, also in einem Bereich in der sich die
Zunahme von Qstat bei steigendem Führungsspiel sp
vergrößert (d2QStat/dsp2>0).
In diesem Bereich führt
eine Vergrößerung des
Führungsspiels
sp zu einer Vergrößerung der
Zunahme der statischen Durchflussmenge dQStat/dsp.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme erfolgt
eine Verlagerung in den Bereich II, also nach den Wendepunkt spw.
In diesem Bereich II ist eine Zunahme des Spiels sp mit einer Verringerung
der Zunahme der statischen Durchflussmenge dQStat/dsp
verbunden (d2Qstat/dsp2<0),
so daß sich
eine Zunahme des Spiels, verursacht durch Verschleiß oder Fertigungstoleranzen
weniger gravierend auswirkt.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt
und z. B. für
beliebige Bauformen von Brennstoffeinspritzventilen 1,
insbesondere auch für
nach außen öffnende
Brennstoffeinspritzventile 1, anwendbar.