DE10319694A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents
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Abstract
Ein Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum (39) einer Brennkraftmaschine umfaßt einen erregbaren Aktuator (10), eine mit dem Aktuator (10) in Wirkverbindung stehende und in einer Schließrichtung von einer Rückstellfeder (23) beaufschlagte Ventilnadel (3) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildeten Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und zumindest zwei Abspritzöffnungen (7), die in dem Ventilsitzkörper (5) ausgebildet sind. An einer dem Brennraum (36) der Brennkraftmaschine zugewandten Außenseite (37) des Ventilsitzkörpers (5) ist eine Beschichtung (38) ausgebildet und/oder die Anzahl der Abspritzöffnungen (7) ist maximal acht und/oder ein Abstand zwischen dem Ventilschließkörper (4) und dem Ventilsitzkörper (5) ist kleiner als 20 mum und/oder die Abspritzöffnungen (7) erweitern sich in einer Abspritzrichtung des Brennstoffs.
Description
- Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
- Aus der
DE 198 04 463 A1 ist ein Brennstoffeinspritzsystem für eine gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine bekannt, welches ein Brennstoffeinspritzventil umfaßt, das Brennstoff in einen von einer Kolben-/Zylinderkonstruktion gebildeten Brennraum einspritzt, und mit einer in den Brennraum ragenden Zündkerze versehen ist. Das Brennstoffeinspritzventil ist mit mindestens einer Reihe über den Umfang des Brennstoffeinspritzventils verteilt angeordneten Einspritzlöchern versehen. Durch eine gezielte Einspritzung von Brennstoff über die Einspritzlöcher wird eine strahlgeführtes Brennverfahren durch Bildung einer Gemischwolke mit mindestens einem Strahl realisiert. - Nachteilig an dem aus der obengenannten Druckschrift bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere die Verkokung der Abspritzöffnungen, welche dadurch verstopfen und den Durchfluß durch das Brennstoffeinspritzventil unzulässig stark vermindern. Dies führt zu Fehlfunktionen der Brennkraftmaschine.
- Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine Kombination verschiedener Maßnahmen wie eine Aufweitung der Abspritzöffnungen in Abspritzrichtung des Brennstoffs, eine gute Wärmeleitfähigkeit des Ventilsitzkörpers, eine Reduktion der Anzahl der Abspritzöffnungen sowie eine Verringerung des Abstandes zwischen Ventilschließkörper und Ventilsitzkörper dafür sorgt, daß sich im Bereich der Austritte der Abspritzöffnungen in den Brennraum der Brennkraftmaschine keine Ablagerungen durch Verkokung bilden können. Einer Fehlfunktion des Brennstoffeinspritzventils bzw. einer unzulässigen Drosselung des Brennstoffflusses wird somit vorgebeugt.
- Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
- Vorteilhafterweise ist die brennraumseitige Beschichtung der Ventilspitze oder der ganze Ventilsitzkörper aus einem hoch wärmeleitfähigen Material wie Kupfer oder Aluminium hergestellt.
- Weiterhin ist von Vorteil, daß die Aufweitung im Mündungsbereich der Abspritzöffnungen in beliebiger Weise ausgeführt sein kann, wie z. B. trichterförmig, konisch oder rechteckig.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1A einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils in einer Gesamtansicht, -
1B einen schematischen Schnitt durch den abspritzseitigen Teil des in1A dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich IB in1 , -
2A –2B eine stark schematisierte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils im Bereich des Ventilsitzkörpers in zwei verschiedenen Ansichten, -
3A –3B schematische Darstellungen von möglichen Formen von Abspritzöffnungen für die erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventile, und -
4A –4B erläuternde Diagramme der Wirkungsweise verschiedener Kombinationen der erfindungsgemäßen Maßnahmen. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
1A zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils1 . Das Brennstoffeinspritzventil1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil1 eignet sich zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht näher dargestellten Brennraum36 einer Brennkraftmaschine. - Das Brennstoffeinspritzventil
1 besteht aus einem Düsenkörper2 , in welchem eine Ventilnadel3 angeordnet ist. - Die Ventilnadel
3 steht in Wirkverbindung mit einem Ventilschließkörper4 , der mit einer auf einem Ventilsitzkörper5 angeordneten Ventilsitzfläche6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Der Ventilschließkörper ist nahezu kugelförmig ausgebildet und trägt dadurch zu einer versatzfreien Führung im Ventilsitzkörper5 bei. Bei dem Brennstoffeinspritzventil1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil1 , welches über zwei Abspritzöffnungen7 verfügt. - Der Düsenkörper
2 ist durch eine Dichtung8 gegen einen Außenpol9 einer Magnetspule10 abgedichtet. Die Magnetspule10 ist in einem Spulengehäuse11 gekapselt und auf einen Spulenträger12 gewickelt, welcher an einem Innenpol13 der Magnetspule10 anliegt. Der Innenpol13 und der Außenpol9 sind durch einen Spalt26 voneinander getrennt und stützen sich auf einem Verbindungsbauteil29 ab. Die Magnetspule10 wird über eine Leitung19 von einem über einen elektrischen Steckkontakt17 zuführbaren elektrischen Strom erregt. Der Steckkontakt17 ist von einer Kunststoffummantelung18 umgeben, die am Innenpol13 angespritzt sein kann. - Die Ventilnadel
3 ist in einer Ventilnadelführung14 geführt, welche scheibenförmig ausgeführt ist. Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe15 . An der anderen Seite der Einstellscheibe15 befindet sich ein Anker20 . Dieser steht über einen ersten Flansch21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht22 mit dem ersten Flansch21 verbunden ist. Auf dem ersten Flansch21 stützt sich eine Rückstellfeder23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils1 durch eine Hülse24 auf Vorspannung gebracht wird. - Abströmseitig des Ankers
20 ist ein zweiter Flansch31 angeordnet, der als unterer Ankeranschlag dient. Er ist über eine Schweißnaht33 kraftschlüssig mit der Ventilnadel3 verbunden. Zwischen dem Anker20 und dem zweiten Flansch31 ist ein elastischer Zwischenring32 zur Dämpfung von Ankerprellern beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils1 angeordnet. - In der Ventilnadelführung
14 und im Anker20 verlaufen Brennstoffkanäle30 und31 . Am Ventilschließkörper4 sind Anschliffe32 ausgebildet, welche den Brennstoff zum Dichtsitz führen. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr16 zugeführt und durch ein Filterelement25 gefiltert. Das Brennstoffeinspritzventil1 ist durch eine Dichtung28 gegen eine nicht weiter dargestellte Verteilerleitung abgedichtet. Eine weitere Dichtung39 dichtet gegen den nicht weiter dargestellten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ab. - Erfindungsgemäß weist das Brennstoffeinspritzventil
1 an einer dem nicht weiter dargestellten Brennraum36 der Brennkraftmaschine zugewandten Außenseite37 des Ventilsitzkörpers5 eine wärmeableitende Beschichtung38 auf. Die Abspritzöffnungen7 münden durch die Beschichtung38 beispielsweise trichterförmig aus. Durch die Beschichtung38 wird Wärme vom Ventilsitzkörper5 abgeleitet, wodurch dieser weniger heiß wird und daher die Anlagerung von Brennstoff und eine Verkokung der Abspritzöffnungen7 vermindert wird. Der abspritzseitige Teil des Brennstoffeinspritzventils1 mit der Beschichtung38 ist in1B näher dargestellt. Zusammen mit weiteren, im folgenden näher beschriebenen Maßnahmen kann die Verkokung der Abspritzöffnungen7 wirkungsvoll reduziert werden. - Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils
1 wird der erste Flansch21 an der Ventilnadel3 von der Rückstellfeder23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, daß der Ventilschließkörper4 am Ventilsitz6 in dichtender Anlage gehalten wird. Der Anker20 liegt auf dem Zwischenring32 auf, der sich auf dem zweiten Flansch31 abstützt. Bei Erregung der Magnetspule10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder23 in Hubrichtung bewegt. Dabei nimmt der Anker20 den ersten Flansch21 , welcher mit der Ventilnadel3 verschweißt ist, und damit die Ventilnadel3 ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel3 in Wirkverbindung stehende Ventilschließkörper4 hebt von der Ventilsitzfläche6 ab, wodurch der zur Abspritzöffnung7 geführte Brennstoff abgespritzt wird. - Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker
20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder23 auf den ersten Flansch21 vom Innenpol13 ab, wodurch sich die Ventilnadel3 entgegen der Hubrichtung bewegt. Dadurch setzt der Ventilschließkörper4 auf der Ventilsitzfläche6 auf und das Brennstoffeinspritzventil1 wird geschlossen. Der Anker20 setzt auf dem durch den zweiten Flansch31 gebildeten Ankeranschlag auf. -
1B zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung den in1 mit IB bezeichneten Ausschnitt aus dem in1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils1 . - Wie bereits in
1A angedeutet, weist der Ventilsitzkörper5 an seiner dem Brennraum36 zugewandten Außenseite37 eine Beschichtung38 auf. Durch die Beschichtung38 kann die Temperatur des Ventilsitzkörpers5 reduziert werden, wodurch die Verkokung von sich an diesem niederschlagendem Brennstoff reduziert wird. Dadurch bleiben die Abspritzöffnungen7 frei von Ablagerungen, welche andernfalls den Durchfluß durch das Brennstoffeinspritzventil1 unzulässig stark reduzieren und den Betrieb der Brennkraftmaschine unmöglich machen würden. - Die Beschichtung
38 kann dabei vollflächig auf der ganzen Fläche34 des Ventilsitzkörpers5 ausgebildet oder nur im Bereich der Abspritzöffnungen7 angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann statt einer Beschichtung38 auch der Ventilsitzkörper5 verdickt ausgebildet sein, da diese Maßnahme die Wärmeleitfähigkeit des Ventilsitzkörpers verbessert und dadurch ebenfalls für eine kühlere Stirnseite37 sorgt. Die Materialstärke sollte dabei größer als oder gleich 0,4 mm sein. - Die Herstellung der Beschichtung
38 kann dabei beispielsweise galvanisch auf Kupferbasis oder Aluminiumbasis erfolgen, es kann auch alternativ der ganze Ventilsitzkörper5 aus einem hochwärmeleitfähigen Material wie Kupfer oder Aluminium hergestellt sein. - Die Abspritzöffnungen
7 können an beliebigen Punkten des Ventilsitzkörpers5 angebracht sein. Vorzugsweise sind sie auf einem runden oder elliptischen Lochkreis, der konzentrisch oder exzentrisch zu einer Längsachse40 des Ventilsitzkörpers5 sein kann, angeordnet. Der Abstand zwischen den Lochmittelpunkten kann dabei äquidistant oder unterschiedlich sein. Die räumliche Orientierung kann für jede Lochachse unterschiedlich sein, wie in1B für zwei Abspritzöffnungen7 angedeutet. - Die aus den Abspritzöffnungen
7 abgespritzten Brennstoffstrahlen können beliebige Öffnungswinkel aufweisen, welche nur von der Geometrie der Abspritzöffnung7 abhängen. In1B sind beispielsweise trichterförmige Mündungsbereiche41 der Abspritzöffnungen7 dargestellt. - Neben der Beschichtung
38 hat auch die Form der Mündungsbereiche41 der Abspritzöffnungen7 Auswirkungen auf das Verkokungsverhalten des Brennstoffeinspritzventils1 . Ein aufgeweiteter Mündungsbereich41 , wie in den1A und1B dargestellt, kann konisch, trichterförmig oder gestuft ausgeführt sein, aber auch, wie in den2A und2B stark schematisiert dargestellt, mittels einer Nut42 hergestellt werden, welche im Bereich der Abspritzöffnungen7 am Ventilsitzkörper5 angebracht ist. Der zu messende, engste Querschnitt der Abspritzöffnungen7 wird durch den erweiterten Querschnitt vor der hohen Verbrennungstemperatur und den Verbrennungspartikeln geschützt. Ablagerungen, die statt dessen im erweiterten Querschnitt gebildet werden, stören den Abspritzvorgang nicht, da die Beläge beim Hineinwachsen in den Brennstoffstrahl von diesem abgetragen werden. Die Abtragung ist dabei deshalb möglich, weil der Belag ausreichend dick und daher eher brüchig ist. - In den
3A und3B sind Abspritzöffnungen7 und deren aufgeweitete Mündungsbereiche41 beispielhaft dargestellt. Eine Form, wie die in3A dargestellte, ist beispielsweise in Verbindung mit der in1A und1B beschriebenen Beschichtung38 möglich, während die in3B gezeigte Form beispielsweise durch das Anbringen einer Nut42 , wie in2A und2B gezeigt, ausgeführt werden kann. - Die Mündungsbereiche
41 können dabei beispielsweise mittels Laserbohren, Erodieren und ähnliche Verfahren in den Ventilsitzkörper5 bzw. die Beschichtung38 eingebracht werden. Die Abspritzöffnungen7 und ihre Mündungsbereiche41 können dabei allgemein trichterförmig, gestuft oder konisch ausgeführt sein. Auch eine Herstellung der Mündungsbereiche41 mittels zweistufigen Erodierens ist möglich. - Auch die Form des Dichtsitzes, welcher aus der an dem Ventilsitzkörper
5 ausgebildeten Ventilsitzfläche6 und dem Ventilschließkörper4 gebildet wird, trägt zur Verringerung der Temperatur in diesem Bereich bei. Wesentlicher Gesichtspunkt ist dabei der Abstand zwischen der Oberfläche des Ventilschließkörpers4 und jeder der Abspritzöffnungen7 . Ein bevorzugter Wert für diesen Abstand liegt dabei bei maximal 20 μm. Durch einen kleinen Abstand kann eine gute Wärmeleitung stattfinden, während ein großer Abstand den Abtransport von Wärme in die kühlere Ventilnadel3 vermindern würde. Zudem kann durch die so erzielten niedrigen Temperaturen der Brennstoff unterhalb des Ventilschließkörpers4 nicht verdampfen, so daß der Bereich vor der hohen Temperatur des Brennraums und vor Ablagerung von Verbrennungsrückständen geschützt bleibt. Zudem können keine klebrigen Verdampfungsreste in diesem Bereich entstehen. - Ein weiterer Faktor, welcher die Ablagerungen im Bereich der Abspritzöffnungen
7 beeinflußt, ist die Anzahl der Abspritzöffnungen7 . Eine große Anzahl Abspritzöffnungen7 führt zwar zu einer Abmagerung der Gemischwolke in den Außenbereichen, erzeugt jedoch auch einen fetten Kern, welcher eine hohe Brennstoffkonzentration im inneren Bereich der Gemischwolke und damit auch am Ventilschließkörper5 aufweist. Um die Ablagerungen im Bereich der Abspritzöffnungen7 gering zu halten, ist eine Anzahl von maximal acht Abspritzöffnungen7 vorteilhaft. - Jedes einzelne dieser Merkmale hat eine positive Wirkung auf die Verkokungsneigung, aber erst eine Kombination der verschiedenen Möglichkeiten ergibt eine signifikante Reduktion der Ablagerungen im Bereich der Abspritzöffnungen
7 . Die Diagramme in4A und4B zeigen dabei die Wirkung verschiedener Merkmalskombinationen im Vergleich zu einem Brennstoffeinspritzventil1 ohne die erfindungsgemäßen Merkmale. Die Diagramme zeigen dabei die Abmagerung der dosierten Einspritzmenge für verschiedene der erwähnten Maßnahmen und Kombinationen daraus. Die x-Achse zeigt den Entwicklungsfortschritt, der mit diesen Maßnahmen erzielt wird. - Der oberste linke Punkt
50 in Diagramm4A repräsentiert dabei ein Brennstoffeinspritzventil1 ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen. Die Abmagerung des Gemisches durch Verkokung der Abspritzöffnungen7 liegt bei bis zu 40%. - Wird der Ventilsitzkörper
5 so modifiziert, daß der Abstand zwischen Ventilschließkörper4 und Ventilsitzkörper5 verringert wird, tritt bereits eine deutliche Verbesserung ein, wie der zweite Punkt51 in Diagramm4A bei ca. 30% zeigt. - Kombiniert man das Merkmal des verringerten Abstandes am Dichtsitz mit den sich in Abspritzrichtung erweiternden Abspritzöffnungen
7 , gelangt man zum dritten Punkt52 in Diagramm4A bei ca. 10%, was eine weitere deutliche Verbesserung bedeutet. - Die Kombination des verringerten Abstandes mit einer geringen Anzahl von Abspritzöffnungen
7 bringt eine weitere geringfügige Verbesserung der Verkokungsneigung, wie der Punkt53 ganz rechts in Diagramm4A zeigt. -
4B zeigt einen Ausschnitt aus dem in4A dargestellten Diagramm im Bereich unterhalb von 10% Abmagerung. Zur Verdeutlichung ist der dritte Meßpunkt52 aus4A in4B bei reichlich 10% Abmagerung übertragen. - Weitere Verbesserungen der Verkokungsneigung sind durch die Kombination der Merkmale des geringen Abstandes und der sich erweiternden Abspritzöffnungen
7 mit den wärmeleitenden Maßnahmen durch Erhöhung der Wandstärke des Ventilsitzkörpers5 (Meßpunkt54 bei knapp 4%) oder des Aufbringens einer Beschichtung auf die Stirnseite37 des Ventilsitzkörpers5 (Meßpunkt55 bei gut 2%) erzielbar. - Eine weitere Absenkung ist noch möglich, indem die Maßnahmen des geringen Abstandes und der sich erweiternden Abspritzöffnungen
7 mit der verringerten Anzahl von Abspritzöffnungen7 kombiniert wird. Dann kann die Verkokungsneigung auf einen Wert nahe 1% (Meßpunkt56 ) reduziert werden. - Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und z. B. für beliebig angeordnete Abspritzöffnungen
7 sowie für beliebige Bauweisen von nach innen öffnenden Mehrloch-Brennstoffeinspritzventilen1 anwendbar.
Claims (10)
- Brennstoffeinspritzventil (
1 ) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum (39 ) einer Brennkraftmaschine mit einem erregbaren Aktuator (10 ), einer mit dem Aktuator (10 ) in Wirkverbindung stehenden und in einer Schließrichtung von einer Rückstellfeder (23 ) beaufschlagten Ventilnadel (3 ) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4 ), der zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper (5 ) ausgebildeten Ventilsitzfläche (6 ) einen Dichtsitz bildet, und zumindest zwei Abspritzöffnungen (7 ), die in dem Ventilsitzkörper (5 ) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß an einer dem Brennraum (36 ) der Brennkraftmaschine zugewandten Außenseite (37 ) des Ventilsitzkörpers (5 ) eine wärmeleitende Beschichtung (38 ) ausgebildet ist und/oder daß die Anzahl der Abspritzöffnungen (7 ) maximal acht ist und/oder daß ein Abstand zwischen dem Ventilschließkörper (4 ) und einem Einströmquerschnitt der Abspritzöffnungen (7 ) im Ventilsitzkörper (5 ) kleiner als 20 μm ist und/oder daß sich die Abspritzöffnungen (7 ) in einer Abspritzrichtung des Brennstoffs erweitern. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (
38 ) aus Kupfer oder Aluminium besteht. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mittels Galvanisierens auf dem Ventilsitzkörper (
5 ) aufgebracht ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitzkörper (
5 ) aus Kupfer oder Aluminium hergestellt ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Ventilsitzkörpers (
5 ) größer oder gleich 0,4 mm ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeweils ein Mündungsbereich (
41 ) der Abspritzöffnungen (7 ) in einer Abspritzrichtung erweitert. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungsbereich (
41 ) der Abspritzöffnungen (7 ) trichterförmig, konisch oder gestuft erweitert ist. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspritzöffnungen (
7 ) in einer Nut (42 ) ausmünden. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsbereiche (
41 ) in der Nut (42 ) einen rechteckigen Querschnitt haben. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspritzöffnungen (
7 ) durch Erodieren, Laserbohren oder Stanzen in den Ventilsitzkörper (5 ) eingebracht sind.
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