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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 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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Vorteile der Erfindung
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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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Zeichnung
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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.