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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus
der
DE 42 31 448 C1 ist
bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das eine Ventilnadel
beinhaltet, die wiederum aus einem Anker, einem Ventilschließglied und
einem den Anker mit dem z. B. kugelförmigen Ventilschließglied verbindenden
hülsenförmigen bzw.
rohrförmigen
Verbindungsrohr besteht. Die aufgezählten Teile stellen getrennt
voneinander gefertigte Einzelteile dar, die erst mittels stoffschlüssiger Fügeverfahren,
z. B. durch Laserschweißen,
miteinander verbunden werden. Der Anker umgreift das Verbindungsrohr
vollständig
radial und zumindest teilweise axial, da das Verbindungsrohr in
einer durchgehenden Längsöffnung des
Ankers befestigt ist. Das Verbindungsrohr weist selbst auch eine durchgehende
innere Längsöffnung auf,
in der Brennstoff in Richtung zum Ventilschließglied strömen kann, der durch in der
Wandung des Verbindungsrohrs über
dessen gesamte axiale Länge
eingebrachte, radial verlaufende Queröffnungen austritt.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil,
dass auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise die Ventildynamik
durch die Optimierung der Position der radial verlaufenden Queröffnungen
in dem als Verbindungsteil dienenden Ventilnadelabschnitt der Ventilnadel
deutlich verbessert wird. Besonders vorteilhaft ist es, dass die
Verbesserung der Zumessung des Brennstoffs mit vorhandenen Konstruktionselementen
ohne Zusatzaufwand erzielt werden kann. Insbesondere kann eine deutlich
erhöhte
Zumessgenauigkeit auch bei kleinsten Brennstoffmengen erreicht werden.
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Sowohl
die Umpumpkraft in der Bewegungsphase des Ankers als auch die periodische
Differenzdruckkraft auf den Anker durch Druckschwingungen im Einspritzventil
werden bestmöglich
unterdrückt.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ein Brennstoffeinspritzventil
mit einer erfindungsgemäßen Ventilnadel
und 2 eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Ventilnadel.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Das
in der 1 beispielsweise
dargestellte Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen
von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
hat einen von einer Magnetspule 1 umgebenen, als Brennstoffeinlassstutzen dienenden
rohrförmigen
Kern 2, der beispielsweise über seine gesamte Länge einen
konstanten Außendurchmesser
aufweist. Ein in radialer Richtung gestufter Spulenkörper 3 nimmt
eine Bewicklung der Magnetspule 1 auf und ermöglicht in
Verbindung mit dem Kern 2 einen kompakten Aufbau des Einspritzventils
im Bereich der Magnetspule 1.
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Mit
einem unteren Kernende 9 des Kerns 2 ist konzentrisch
zu einer Ventillängsachse 10 dicht ein
rohrförmiges,
metallenes Zwischenteil 12 beispielsweise durch Schweißen verbunden
und umgibt das Kernende 9 teilweise axial. Stromabwärts des Spulenkörpers 3 und
des Zwischenteils 12 erstreckt sich ein rohrförmiger Ventilsitzträger 16,
der beispielsweise fest mit dem Zwischenteil 12 verbunden ist.
In dem Ventilsitzträger 16 verläuft eine
Längsbohrung 17,
die konzentrisch zu der Ventillängsachse 10 ausgebildet
ist. In der Längsbohrung 17 ist
eine erfindungsgemäße Ventilnadel 18 mit
einem hülsen-
bzw. rohrförmigen
Ventilnadelabschnitt 19 angeordnet. Am stromabwärtigen Ende 23 des
Ventilnadelabschnitts 19 ist ein Ventilschließkörper 24 vorgesehen, der
beispielsweise zumindest eine weitgehend kugelförmige Außenkontur aufweist und an dessen
Umfang beispielsweise fünf
Abflachungen 25 zum Vorbeiströmen
des Brennstoffs vorgesehen sind. Der beispielsweise kugelförmig ausgebildete
Ventilschließkörper 24 ist
mit dem rohrförmigen
Ventilnadelabschnitt 19 z.B. durch eine Schweißnaht fest
verbunden.
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Die
Betätigung
des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise z. B. elektromagnetisch.
Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 18 und damit zum Öffnen entgegen
der Federkraft einer Rückstellfeder 26 bzw. zum
Schließen
des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der
Magnetspule 1, dem Kern 2 und einem Anker 27.
Der beispielsweise rohrförmige
Anker 27 ist mit einem dem Ventilschließkörper 24 abgewandten
Ende 20 des in den Anker 27 eingeschobenen Ventilnadelabschnitts 19 durch
eine Schweißnaht
fest verbunden und auf den Kern 2 ausgerichtet. Der den
Anker 27 und den Ventilschließkörper 24 verbindende
Ventilnadelabschnitt 19 bildet zusammen mit diesen beiden
Bauteilen die Ventilnadel 18.
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In
das stromabwärts
liegende, dem Kern 2 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 16 ist
in der Längsbohrung 17 ein
zylinderförmiger
Ventilsitzkörper 29,
der einen festen Ventilsitz 30 aufweist, durch Schweißen dicht
montiert. Zur Führung
des Ventilschließkörpers 24 während der
Axialbewegung der Ventilnadel 18 entlang der Ventillängsachse 10 dient eine
Führungsöffnung 32 des
Ventilsitzkörpers 29. Der
Ventilschließkörper 24 wirkt
mit dem sich in Strömungsrichtung
kegelstumpfförmig
verjüngenden Ventilsitz 30 des
Ventilsitzkörpers 29 zusammen.
An seiner dem Ventilschließkörper 24 abgewandten Stirnseite
ist der Ventilsitzkörper 29 mit
einer beispielsweise topfförmig
ausgebildeten Spritzlochscheibe 34 fest und dicht verbunden.
In der Spritzlochscheibe 34 sind wenigstens eine, beispielsweise vier
durch Erodieren oder Stanzen ausgeformte Abspritzöffnungen 39 vorgesehen.
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Die
Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 29 mit
der Spritzlochscheibe 34 bestimmt die Größe des Hubs
der Ventilnadel 18. Dabei ist die eine Endstellung der
Ventilnadel 18 bei nicht erregter Magnetspule 1 durch
die Anlage des Ventilschließkörpers 24 am Ventilsitz 30 des
Ventilsitzkörpers 29 festgelegt,
während
sich die andere Endstellung der Ventilnadel 18 bei erregter
Magnetspule 1 durch die Anlage des Ankers 27 am
Kernende 9 ergibt.
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Eine
in eine konzentrisch zur Ventillängsachse 10 verlaufende
Strömungsbohrung 46 des
Kerns 2 eingeschobene Einstellhülse 48 dient zur Einstellung
der Federvorspannung der an der Einstellhülse 48 anliegenden
Rückstellfeder 26,
die sich wiederum mit ihrer gegenüberliegenden Seite an dem Ventilnadelabschnitt 19 abstützt. Das
Einspritzventil ist weitgehend mit einer Kunststoffumspritzung 51 umschlossen,
die sich vom Kern 2 ausgehend in axialer Richtung über die
Magnetspule 1 bis zum Ventilsitzträger 16 erstreckt.
Zu dieser Kunststoffumspritzung 51 gehört beispielsweise ein mitangespritzter
elektrischer Anschlussstecker 52.
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Der
rohrförmige
Ventilnadelabschnitt 19 der Ventilnadel 18 wird
an seinem stromaufwärtigen Ende 20 von
dem Anker 27 umgeben bzw. umhüllt. Ausgehend von einer unteren
Stirnfläche
des Ankers 27 besitzt der Ventilnadelabschnitt 19 eine
freie Erstreckungslänge
bis hin zum Ventilschließkörper 24. Mit
anderen Worten ausgedrückt,
verläuft
der Ventilnadelabschnitt 19 zwischen dem unteren Ankerende und
dem Ventilschließkörper 24 als
eine Metallhülse mit
einer Wandung, die von keinem anderen Ventilbauteil überdeckt
ist. Diese Länge
des freien axialen Verlaufs des Ventilnadelabschnitts 19 ist
in 1 mit 1 gekennzeichnet.
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Erfindungsgemäß sind in
der Rohrwand des Ventilnadelabschnitts 19 radial verlaufende
Queröffnungen 55 eingebracht,
die es ermöglichen,
dass der Brennstoff aus einer inneren Längsöffnung 63 des hülsenförmigen Ventilnadelabschnitts 19 nach
außen austreten
und ungehindert in Richtung des Ventilsitzes 30 strömen kann.
Letztlich wird so eine Brennstoffströmung im Einspritzventil bis
zu der wenigstens einen Abspritzöffnung 39 gewährleistet, über die der
Brennstoff in ein Saugrohr oder einen Zylinder einer Brennkraftmaschine
abgespritzt wird. Die Queröffnungen 55 sind
dabei zur Optimierung der Ventildynamik nur in einem ganz bestimmten
Bereich, betrachtet über
die axiale Länge
des Ventilnadelabschnitts 19, vorgesehen, und zwar innerhalb
des ersten stromaufwärtigen
Drittels der freien axialen Länge
des Ventilnadelabschnitts 19. Diese Teilstrecke, in der
ausschließlich
sämtliche
Queröffnungen 55 der Ventilnadel 18 eingebracht
sind, wird mit x bezeichnet. Die Queröffnungen 55 sind beispielsweise
als drei Lochpaare angeordnet, wobei die Queröffnungen der aufeinander folgenden
Reihen um 90° zueinander
versetzt sein können,
wie 2 verdeutlicht.
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In
der 2 ist ein weiteres
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Ventilnadel 18 dargestellt.
Eine solche Ventilnadel 18 eignet sich besonders für den Einbau
in einem Brennstoffeinspritzventil für das direkte Einspritzen von
Brennstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine. Bei der dargestellten
Konstruktion handelt es sich um eine so genannte Ankerfreiwegkonstruktion,
d.h. zur Vermeidung bzw. Abschwächung
von Prellern der Ventilnadel 18 mit dem Ventilschließkörper 24 am
Ventilsitz 30 ist der Anker 27 axial beweglich
auf dem Ventilnadelabschnitt 19 angeordnet. Der Ventilnadelabschnitt 19 besitzt
einen oberen, stromaufwärtigen
Kragen 57, der als Anschlag für den Anker 27 dient.
Verbunden ist der Anker 27 auf seiner dem Ventilschließkörper 24 zugewandten
Seite mit einer Anschlaghülse 58,
die z.B. gestuft ausgeführt
ist und den Ventilnadelabschnitt 19 unterhalb des Kragens 57 abschnittsweise
umhüllt.
Beim Schließen
des Einspritzventils, also bei Unterbrechung der Bestromung der
Magnetspule 1, sorgt eine Ankerfreiwegfeder 59,
die zwischen dem Kragen 57 des Ventilnadelabschnitts 19 und
einem Absatz 60 der Anschlaghülse 58 angeordnet
ist, dafür,
dass der Anker 27 indirekt über die mit ihm fest verbundene
Anschlaghülse 58 sofort
wieder gegen den Kragen 57 gezogen wird.
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Beginnend
mit dem Überlappungsende
von Anschlaghülse 58 und
Ventilnadelabschnitt 19 bis hin zum Ventilschließkörper 24 verläuft wiederum
die freie Erstreckungslänge 1 des
Ventilnadelabschnitts 19. Auch diesem Ausführungsbeispiel
ist zu entnehmen, dass erfindungsgemäß die Queröffnungen 55 in der
Wandung des Ventilnadelabschnitts 19 ausschließlich im
oberen ersten Drittel mit der Länge
x des Ventilnadelabschnitts 19 eingebracht sind.
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Es
wurde herausgefunden, dass insbesondere bei Einspritzventilen für die Direkteinspritzung, bei
denen hohle Ventilnadeln 18 zur Anwendung kommen, die geometrische
Anordnung von Austrittsöffnungen
an der Ventilnadel 18 eine wesentliche Bedeutung hat. Insbesondere
hat die Lage der Queröffnungen 55 Einfluss
auf die definierte Zumessung kleinster Brennstoffmengen. Im folgenden
sollen kurz die strömungstechnischen
Effekte im Bereich des Ankers 27 und der Ventilnadel 18 erläutert werden. Der
Anker 27 weist eine relativ große innere Längsbohrung 62 auf.
Der Gesamtquerschnitt der Queröffnungen 55 sollte
wenigstens gleich dem Querschnitt der Längsbohrung 62 des
Ankers 27 und somit auch größer als oder gleich dem Querschnitt
der inneren Längsöffnung 63 des
Ventilnadelabschnitts 19 sein. Im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils
kommt es während
der Bewegungsphase des Ankers 27 zu einem Umpumpen von
Brennstoff von der Oberseite zur Unterseite des Ankers 27 und
umgekehrt. Ist dieser Volumenausgleich behindert, so baut sich über dem
Anker 27 eine Druckkraft auf, welche die Bewegung der Ventilnadel 18 bremst.
Ursache dafür
kann eine nicht optimale Anordnung der Queröffnungen 55 sein.
Dies führt über die
Verlängerung
der Ventilschaltzeiten zu einer Verschlechterung der Zumessung.
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In
Folge von Druckschwingungen im Einspritzventil kommt es zudem zu
einer periodischen Differenzdruckkraft zwischen der Oberseite und
Unterseite des Ankers 27. Diese Druckschwingungskraft bewirkt
eine periodische Änderung
der Ventilschließzeit
für unterschiedliche
Einspritzdauern. Insbesondere bei einer Phasenverschiebung der Druckschwingungskraft
für verschiedene
Einspritzventile wird sich die Streuung zwischen den Einspritzventilen
und damit die Zumessung durch diesen Effekt verschlechtern.
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In
vorteilhafter Weise lassen sich durch die erfindungsgemäße Anordnung
der Queröffnungen 55 ausschließlich im
oberen Drittel des Ventilnadelabschnitts 19 nahe dem Anker 27 beide
vorgenannten Effekte günstig
beeinflussen. Durch die Anordnung der Queröffnungen 55 in diesem
Bereich x direkt unterhalb des Ankers 27 wird der Druckausgleich zwischen
der Oberseite und der Unterseite des Ankers 27 am besten
verwirklicht. Sowohl die Umpumpkraft in der Bewegungsphase des Ankers 27 als
auch die periodische Differenzdruckkraft auf den Anker 27 durch
Druckschwingungen im Einspritzventil werden bestmöglich unterdrückt. Dadurch
wird zum einen die Kennlinie der dynamischen Abspritzmenge aufgrund der
schnelleren Ventilschaltzeiten etwas in Richtung kleinerer Werte
verschoben; zum anderen wird eine durch Druckschwingungen verursachte
Kennlinienschwingung bedämpft.
Dies führt
durch eine geringere Kleinstmenge der Abspritzmenge bei gleichzeitiger
Streuungsminderung zu einer Steigerung der Zumessgenauigkeit auch
bei kleinsten Brennstoffmengen.