DE19501833A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits aus der DE-OS 27 23 280 bekannt, an einem Brennstoffeinspritzventil stromabwärts einer Dosieröffnung ein lochscheibenähnliches Brennstoffaufbrechglied in der Form einer ebenen dünnen Scheibe auszuführen, die eine Vielzahl von gebogenen schmalen Schlitzen aufweist. Die bogenförmigen Schlitze, die durch Ätzen in der Scheibe eingebracht sind, sorgen mit ihrer Geometrie, also mit ihrer radialen Breite und ihrer Bogenlänge, dafür, daß ein Brennstoffschleier gebildet wird, der in kleine Tröpfchen aufbricht. Die jeweils in Gruppen angeordneten bogenförmigen Schlitze zerreißen den Brennstoff entsprechend ihrer in der Horizontalen eingebrachten Geometrie. Die einzelnen Schlitzgruppen müssen sehr exakt zueinander eingebracht werden, um das Aufbrechen des Brennstoffs in gewünschter Weise zu erreichen. Über die gesamte axiale Erstreckung des Aufbrechgliedes weisen die bogenförmigen Schlitze jeweils eine konstante Öffnungsweite auf. Die Zerstäubung soll also nur durch die horizontale, radial ausgebildete Geometrie der Schlitze in der Ebene des Aufbrechgliedes verbessert werden. Das Ätzen der Vielzahl der bogenförmigen Schlitze in dieses Aufbrechglied stellt ein kostenintensives Verfahren dar.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß in einfacher und kostengünstiger Art und Weise sowie mit geringem zeitlichen Aufwand eine Lochscheibe herstellbar und am Brennstoffeinspritzventil montierbar ist, mit der die Zerstäubungsgüte des Brennstoffs verbessert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Lochscheibe mehrere in Ringform angeordnete Abspritzspalte aufweist, so daß der abzuspritzende Brennstoff unmittelbar stromabwärts der Abspritzspalte einen lamellenförmigen Brennstoffkegel bildet. Aufgrund der Geometrie der Abspritzspalte besitzt diese mehrteilige Lamelle eine kegelstumpfähnliche Gestalt. Durch die Oberflächenspannung wird der Brennstoffkegel in stromabwärtiger Richtung und mit zunehmendem Durchmesser in seiner Brennstoffilmstärke immer dünner, bis er in kleinste Tröpfchen zerfällt. Diese feinen Tröpfchen weisen einen gegenüber dem Stand der Technik reduzierten sogenannten Sauter Mean Diameter (SMD) auf, also einen verringerten mittleren Tropfendurchmesser des abgespritzten Brennstoffs. Als Konsequenz können unter anderem die Abgasemission einer Brennkraftmaschine weiter reduziert und ebenso eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs erzielt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, die Abspritzspalte mittels preiswerter Stanztechnik in der Lochscheibe einzubringen.

Das Verfahren des Stanzens ist besonders preiswert, zeitlich schnell realisierbar und in der Handhabung sehr einfach.

Die erfindungsgemäßen Lochscheiben erzeugen auf einfache Art und Weise große Strahlwinkel. Große Strahlwinkel sind z. B. nötig, wenn der Abspritzpunkt des Brennstoffs sehr nahe an ein Einlaßventil einer Brennkraftmaschine gesetzt wird. Auf diese Weise kann die Abgasemission weiter reduziert werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein teilweise dargestelltes Einspritzventil, Fig. 2 eine erfindungsgemäße Lochscheibe mit einem schematischen Werkzeug, Fig. 2a eine Stempelfront des Werkzeugs, Fig. 3 einen Ausschnitt des Bereichs um einen Abspritzspalt aus Fig. 2 und Fig. 4 eine Unteransicht einer Lochscheibe.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen teilweise dargestellt. Das Einspritzventil hat einen rohrförmigen Ventilsitzträger 1, in dem konzentrisch zu einer Ventillängsachse 2 eine Längsöffnung 3 ausgebildet ist. In der Längsöffnung 3 ist eine z. B. rohrförmige Ventilnadel 5 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende 6 mit einem z. B. kugelförmigen Ventilschließkörper 7, an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 8 vorgesehen sind, verbunden ist.

Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise beispielsweise elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 5 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder bzw. Schließen des Einspritzventils dient ein angedeuteter elektromagnetischer Kreis mit einer Magnetspule 10, einem Anker 11 und einem Kern 12. Der Anker 11 ist mit dem dem Ventilschließkörper 7 abgewandten Ende der Ventilnadel 5 durch z. B. eine Schweißnaht mittels eines Lasers verbunden und auf den Kern 12 ausgerichtet.

Zur Führung des Ventilschließkörpers 7 während der Axialbewegung dient eine Führungsöffnung 15 eines Ventilsitzkörpers 16. In dem stromabwärts liegenden, dem Kern 11 abgewandten Ende des Ventilsitzträgers 1 ist in der konzentrisch zur Ventillängsachse 2 verlaufenden Längsöffnung 3 der zylinderförmige Ventilsitzkörper 16 angeordnet. Der Umfang des Ventilsitzkörpers 16 weist einen geringfügig kleineren Durchmesser auf als die Längsöffnung 3 des Ventilsitzträgers 1. An seiner einen, dem Ventilschließkörper 7 abgewandten, unteren Stirnseite 17 ist der Ventilsitzkörper 16 mit einem Bodenteil 20 einer erfindungsgemäßen, z. B. topfförmig ausgebildeten Lochscheibe 21 konzentrisch und fest verbunden, so daß das Bodenteil 20 mit seiner oberen Stirnseite 19 an der unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 anliegt.

Die Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Lochscheibe 21 erfolgt beispielsweise durch eine umlaufende und dichte, z. B. mittels eines Lasers ausgebildete erste Schweißnaht 22. Durch diese Art der Montage ist die Gefahr einer unerwünschten Verformung des Bodenteils 20 in seinem zentralen Bereich 24, in dem sich beispielsweise vier durch Stanzen ausgeformte Abspritzspalte 25 befinden, vermieden.

An das Bodenteil 20 der topfförmigen Lochscheibe 21 schließt sich ein umlaufender Halterand 26 an, der sich in axialer Richtung dem Ventilsitzkörper 16 abgewandt erstreckt und bis zu seinem Ende hin konisch nach außen gebogen ist. Der Halterand 26 übt eine radiale Federwirkung auf die Wandung der Längsöffnung 3 aus. Dadurch wird beim Einschieben des aus Ventilsitzkörper 16 und Lochscheibe 21 bestehenden Ventilsitzteils in die Längsöffnung 3 des Ventilsitzträgers 1 eine Spanbildung am Ventilsitzteil und an der Längsöffnung 3 vermieden. Der Halterand 26 der Lochscheibe 21 ist an seinem freien Ende mit der Wandung der Längsöffnung 3 beispielsweise durch eine umlaufende und dichte zweite Schweißnaht 30 verbunden.

Die Einschubtiefe des aus Ventilsitzkörper 16 und topfförmiger Lochscheibe 21 bestehenden Ventilsitzteils in die Längsöffnung 3 bestimmt die Größe des Hubs der Ventilnadel 5, da die eine Endstellung der Ventilnadel 5 bei nicht erregter Magnetspule 10 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 7 an einer Ventilsitzfläche 29 des Ventilsitzkörpers 16 festgelegt ist. Die andere Endstellung der Ventilnadel 5 wird bei erregter Magnetspule 10 beispielsweise durch die Anlage des Ankers 11 an dem Kern 12 festgelegt. Der Weg zwischen diesen beiden Endstellungen der Ventilnadel 5 stellt somit den Hub dar.

Der kugelförmige Ventilschließkörper 7 wirkt mit der sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjügenden Ventilsitzfläche 29 des Ventilsitzkörpers 16 zusammen, die in axialer Richtung zwischen der Führungsöffnung 15 und der unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 ausgebildet ist.

Die Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Lochscheibe 21 (z. B. aus rostfreiem Stahl) noch einmal als separates Bauteil, bei der in ihrem zentralen Bereich 24 z. B. vier Abspritzspalte 25 vorgesehen sind. Die Form der Abspritzspalte 25 ergibt sich aus der Verwendung eines speziell geformten Werkzeugs 35, mit dem von der oberen Stirnseite 19 her der zentrale Bereich 24 des Bodenteils 20 zumindest teilweise verformt wird. Vor diesem Verformungsprozeß stellt das Bodenteil 20 eine ebene, durchgehende Scheibe dar, die keinerlei Öffnungen aufweist. Das nur schematisch dargestellte Werkzeug 35 beinhaltet beispielsweise einen Stanzstempel 36, der beispielsweise über vier axial am Werkzeug 35 hervorragende zahnähnliche Schneiden 37 verfügt. Die Schneiden 37 sind symmetrisch um eine Werkzeuglängsachse 38 angeordnet, die beim Einsatz des Werkzeugs 35 mit der Ventillängsachse 2 zusammenfällt. Jeweils zwei Schneiden 37 liegen sich damit genau gegenüber.

In einer Ansicht (Fig. 2a) auf die Stempelfront wird deutlich, daß die Schneiden 37 aus jeweils einer bogenförmigen Hauptschneide 39 und zwei von der Hauptschneide 39 ausgehend, radial sternförmig in Richtung zur Werkzeuglängsachse 38 hin verlaufenden Seitenschneiden 40 gebildet werden. Der Stanzstempel 36 ist in seinem mittleren Bereich 42 massiv ausgeführt, wobei sich die Schneiden 37 radial vom mittleren Bereich 42 aus erstrecken. Eine Umfangsfläche 43 des mittleren Bereichs 42 erstreckt sich jeweils zwischen zwei Schneiden 37, wodurch auch eine Verbindung von zwei Seitenschneiden 40 zweier benachbarter Schneiden 37 gegeben ist. Die Hauptschneiden 39 bilden die axial am weitesten hervorstehenden Bereiche des Werkzeugs 35, die damit auch zuerst am Werkstück, hier also an der Lochscheibe 21, angreifen, während sich die Seitenschneiden 40 von den bogenförmigen Hauptschneiden 39 aus axial zurückerstrecken (bezogen auf die mit einem Pfeil am Werkzeug 35 gekennzeichnete Stanzrichtung). In der Projizierung besitzt der Stanzstempel 36 letztlich eine kleeblattähnliche Stempelfront, wie sie Fig. 2a zeigt.

Mit dem soeben beschriebenen Werkzeug 35 läßt sich in vorteilhafter Weise die erfindungsgemäße Lochscheibe 21 ausformen. Mit Hilfe des Werkzeugs 35 wird dazu von der Stirnseite 19 her im zentralen Bereich 24 des Bodenteils 20 eine solche Kraft aufgebracht, daß sich die Lochscheibe 21 unter der Einwirkung der Schneiden 37 verformt. Von einer der Stirnseite 19 gegenüberliegenden, unteren Stirnseite 49 wirkt eine zum Stanzwerkzeug gehörende Stanzmatrize, die ein Durchbiegen der Lochscheibe 21 verhindert und ein sauberes Stanzen ermöglicht. Die bogenförmigen Hauptschneiden 39 sorgen dafür, daß in der Lochscheibe 21 die ebenfalls bogenförmigen Abspritzspalte 25 entstehen. Das Bodenteil 20 der Lochscheibe 21 wird in diesen Wirkbereichen der Hauptschneiden 39 in axialer Richtung vollständig durchschnitten. Auf die Lochscheibe 21 treffen jedoch nicht nur die Hauptschneiden 39, sondern auch die Schneiden 37 in ihrer gesamten Fläche mit den sie begrenzenden Seitenschneiden 40. Es werden folglich nicht nur die Abspritzspalte 25 gebildet; vielmehr werden entsprechend der Anzahl der Schneiden 37 Teile des zentralen Bereichs 24 verdrückt und verbogen, so daß z. B. vier aus der Ebene des Bodenteils 20 in Richtung des Halterandes 26 herausstehende Laschen 45 entstehen. Zwischen diesen Laschen 45 und dem unverformt verbleibenden Rest des Bodenteils 20 ergeben sich letztendlich die Abspritzspalte 25.

In der Fig. 3 ist ein solcher Bereich rund um eine Lasche 45 und einen Abspritzspalt 25 als Ausschnitt aus der Fig. 2 vergrößert dargestellt. Durch Stanzen und Verbiegen der Lochscheibe 21 sind so bogenförmige Abspritzspalte 25 geschaffen, die beispielsweise eine geringste radiale Spaltbreite von 30 µm aufweisen. Aus der Ebene der Lochscheibe 21 sind die Laschen 45 derart ausgeformt, daß jede Lasche 45 mit einem festen Ende mit der Lochscheibe 21 verbunden ist und mit einem freien Ende in Strömungsrichtung geneigt sowie radial nach außen verlaufend den Abspritzspalt 25 bildet. Die Laschen 45 sind z. B. so weit aus der Ebene des Bodenteils 20 der Lochscheibe 21 herausgebogen, daß durch das Stanzen bzw. Schneiden entstandene Schnittflächen 48 der Laschen 45 fast durchweg stromabwärts der der Stirnseite 19 gegenüberliegenden, unteren Stirnseite 49 des Bodenteils 20 liegen. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß die obere Stirnseite 19 des Bodenteils 20 im Bereich der Laschen 45 axial über fast die gesamte Dicke der Lochscheibe 21 so verbogen ist, daß sich ihre jeweils äußersten Kanten 50 ungefähr in Höhe der unteren Stirnseite 49 befinden. Zwischen der Kante 50 und einer nach dem Stanzen weiterhin senkrecht, also parallel zur Ventillängsachse 2 verlaufenden Schnittfläche 52 des Bodenteils 20 ist die geringste Breite des Abspritzspaltes 25 gebildet. Die Schnittflächen 48 erstrecken sich nun nicht mehr parallel zur Ventillängsachse 2, sondern schräg unter einem spitzen Winkel. Mit den sehr schmalen Abspritzspalten 25 ist es möglich, sehr dünne Flüssigkeitslamellen, hier z. B. aus Brennstoff gebildet, abzuspritzen. Aus jedem Abspritzspalt 25 tritt Brennstoff in Form eines dünnen Films bzw. einer Teillamelle aus, die erst weiter stromabwärts in sehr kleine Tröpfchen zerfällt. Durch die gebogenen Laschen 45 erhält der Brennstoff eine relativ große Radialkomponente, die dazu führt, daß ein vergleichsweise großer Kegelwinkel der Brennstofflamelle am Austritt aus der Lochscheibe 21 vorliegt und der Brennstoff also auf großer Fläche gleichmäßig verteilt ist.

In einer Unteransicht auf die Lochscheibe 21 wird nochmals die Anordnung der Laschen 45 und der Abspritzspalte 25 deutlich (Fig. 4). Durch die Seitenschneiden 40 des Werkzeugs 35 kann es dazu kommen, daß neben den Abspritzspalten 25 sehr kurze, weitgehend im rechten Winkel zu den Abspritzspalten 25 verlaufende Radialschlitze 47 entstehen. Die Größe dieser Radialschlitze 47 ist abhängig vom Material der Lochscheibe 21, z. B. der Elastizität bei Scherbeanspruchung. Im Vergleich zu den Abspritzspalten 25 lassen sie jedoch nur eine vernachlässigbar kleine Menge an Brennstoff durch. Die Hauptmenge des Brennstoffs tritt durch die bogenförmigen Abspritzspalte 25 aus.

Neben der Stanztechnik sind zur Herstellung von Abspritzspalten 25 auch Verfahren wie Laserschneiden oder Erodieren denkbar. Die Anzahl der Laschen 45 und damit der Abspritzspalte 25 kann entsprechend den Ventiltypen variiert werden. Während sich für Kegelstrahlventile vier Abspritzspalte 25 anbieten, kann es bei Zweistrahlventilen zur Einspritzung auf beispielsweise zwei Einlaßventile der Brennkraftmaschine sinnvoll sein, nur zwei gegenüberliegende Abspritzspalte 25 einzubringen. Die Durchflußmenge an Brennstoff ist bei vorliegender Lochscheibe 21 sehr gut variierbar. Zum einen können bereits durch die Wahl des Werkzeugs 35 bzw. der wirkenden Kraft des Stanzstempels 36 verschieden große Abspritzspalte 25 in Lochscheiben 21 hergestellt werden, die in verschiedenen Durchflußklassen einsetzbar sind, die wiederum für verschiedene Durchflußmengen definiert sind. Andererseits kann durch das Vorhandensein der Laschen 45 jederzeit eine Veränderung an der Größe der Abspritzspalte 25 vorgenommen werden. Beispielsweise durch nachträgliches Zurückdrücken der Laschen 45 lassen sich die Abspritzspalte 25 verkleinern. Bereits eine Lochscheibenvariante eignet sich folglich schon für diverse Durchflußklassen.

Die Lochscheiben 21 sind auch so ausbildbar, daß die Abspritzspalte 25 in unterschiedlichen Abständen zum Mittelpunkt der Lochscheibe 21 bzw. zur Ventillängsachse 2 radial verteilt liegen bzw. in Ringform angeordnete Abspritzspalte 25 mehrere verschieden große Durchmesser aufweisen und so also radial gestaffelt vorliegen.

Claims (5)

1. Brennstoffeinspritzventil fuhr Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer Ventillängsachse, mit einem Ventilschließkörper, der mit einer Ventilsitzfläche zusammenwirkt, mit einer stromabwärts der Ventilsitzfläche angeordneten dünnen Lochscheibe, die sich in einer Ebene erstreckt und kreisförmig gebogene Abspritzspalte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Ebene der Lochscheibe (21) Laschen (45) derart ausgeformt sind, daß jede Lasche (45) mit einem festen Ende mit der Lochscheibe (21) verbunden ist und mit einem freien Ende in Strömungsrichtung geneigt ist sowie radial nach außen verlaufend den Abspritzspalt (25) bildet und begrenzt.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspritzspalte (25) sowie die Laschen (45) durch Stanzen und Biegen herstellbar sind.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Abspritzspalte (25) in der Lochscheibe (21) vorgesehen sind, die symmetrisch um die Ventillängsachse (2) angeordnet sind, so daß sich jeweils zwei Abspritzspalte (25) direkt gegenüberliegen.

4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere stromaufwärtige Stirnseite (19) der Lochscheibe (21) im Bereich der Laschen (45) axial so verbogen ist, daß sich ihre jeweils radial äußersten Kanten (50) ungefähr in Höhe einer unteren stromabwärtigen Stirnseite (49) der Lochscheibe (21) befinden, so daß jedes freie Ende der Laschen (45) ungefähr um die Dicke der Lochscheibe (21) verbogen ist.

5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vier Laschen (45) und vier an ihnen sich ergebende Abspritzspalte (25) so ausgebildet sind, daß sich in der Projizierung in eine Ebene ungefähr die Form eines vierblättrigen Kleeblattes ergibt.