DE19719268A1

DE19719268A1 - Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetisch gesteuerten Injektionsventils und Injektionsventil zur Durchführung des Verfahrens

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Publication number: DE19719268A1
Application number: DE19719268A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr Foerster
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1997-05-07
Publication date: 1998-11-12

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetisch gesteuerten Injektionsventils, das zum Zuführen von unter Druck stehendem Brennstoffdampf/Wasserdampf- Gemisch zum Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors in vorkomprimierte Verbrennungsluft dient. Zum Zuführen des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches wird ein kraftschlüssig schließender Ventilkörper des Injektionsventils unter Einwirkung eines elektrisch erzeugten Magnetfeldes bewegt, wobei sich der Ventilkörper zur Ausführung des Ventilhubes in den Verbrennungsraum hinein öffnet. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Injektionsventil zur Durchführung des Verfahrens.

Ein direktes Zuführen von unter Druck stehendem Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch in den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors mittels eines elektromagnetisch gesteuerten Injektionsventils ist aus der DE 39 24 013 C1 bekannt. Dabei wird ein Ventilteller, der über einen Ventilschaft an einem Magnetanker befestigt ist, elektromagnetisch gegen die Kraft einer mechanischen Ventilrückstellfeder aus seiner Schließstellung in den Verbrennungsraum verstellt und geöffnet. Die Ventilrückstellfeder ist so dimensioniert, daß ihre Rückstellkraft ausreicht, um den geöffneten Ventilteller nach gewünschter Gemischzufuhr wieder in seine Schließstellung zurückzuführen. Dies erfordert bei hohem Gemischdruck entsprechend hohe Federkräfte und daraus resultierend auch zum Öffnen des Ventiltellers sehr starke Magnetkräfte. Um diese zu erzeugen, bedarf es großflächiger und somit massereicher Magnetanker. Nachteilig ist der Raumbedarf für solche Elektromagnete und deren Massenträgheit, die eine schnelle Ventiltellerbewegung und ein kurzzeitiges Öffnen und Schließen - im Bereich von wenigen Millisekunden - behindert.

Zur Kraftverstärkung bei direkter Einspritzung flüssigen Kraftstoffs in Verbrennungsräume von Verbrennungsmotoren ist es bei einem elektromagnetisch angetriebenen Pumpe-Düse-System, wie es in DR 213 472 beschrieben ist, vorgesehen, den Einspritzdruck für den zuzuführenden flüssigen Kraftstoff durch einen im Magnetfeld beschleunigten und auf den Förderkolben der Brennstoffpumpe aufschlagenden Beschleunigungskörper zu erhöhen. Dieses bekannte Einspritzsystem setzt flüssigen Kraftstoff voraus, denn flüssiger Kraftstoff ist inkompressibel und deshalb geeignet, den erzeugten Druckstoß aufzunehmen und weiterzuleiten. Es ergeben sich für das Schließen der Einspritzdüse auch keine Druckprobleme, da der nach dem Einspritzen verbleibende Kraftststoffdruck in der Kraftstoffzuleitung für den Schließvorgang vernachlässigbar gering ist. Der Beschleunigungskörper und der Förderkolben werden mittels mechanischer Federn zurückgestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb eines elektromagnetisch gesteuerten Injektionsventils, mit dem ein Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch in vorkomprimierte Verbrennungsluft injiziert wird, trotz hohen Gemischdruckes und geforderter kurzer Injektionszeit mit geringer magnetischer Kraft zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Danach wird die Öffnungsphase des Ventilkörpers durch einen in Öffnungsrichtung des Ventilkörpers gerichteten Stoß eingeleitet, der die notwendige Kraft zum Öffnen des Ventilkörpers gegen die in Schließrichtung des Ventilkörpers gerichtete Kraft um ein Vielfaches verstärkt. Die durch den Stoß eingeleitete Bewegung des Ventilkörpers wird so geführt, daß der Ventilkörper zumindest um einen Mindesthub offen gehalten wird, so daß die zumindest erreichbare kleinste Öffnungsweite des Ventilkörpers definiert ist. Zum raschen Schließen des Ventilkörpers wird der Druck des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches genutzt: Durch ihn wird auf dem Ventilkörper eine resultierende Kraft in Schließrichtung ausgeführt. Zum Schließen wird der das Magnetfeld erzeugende elektrische Strom entsprechend geändert. Mit der Stromänderung wird der Schließzeitpunkt bestimmt. Dabei kann der Strom vor, bei oder nach Erreichen des eingestellten Mindesthubes geändert werden, also insbesondere abgeschaltet oder umgepolt werden, je nach erforderlichem Zeitintervall zur Injektion der betriebsnotwendigen Brennstoff dampf/Wasserdampf-Menge. Da der Druck des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemischs auf den Ventilkörper mit resultierender Kraft in Schließrichtung wirkt, ist bei Änderung des Magnetfeldes das Schließen des Ventilkörpers in jedem Fall selbsttätig gesichert.

Die Kraftverstärkung durch Stoß zum Öffnen des Ventilkörpers wird nach Patentanspruch 2 bevorzugt durch einen im Magnetfeld gegen die Kraft einer Ankerrückstellfeder beschleunigten Magnetanker erreicht, der den Stoß auf den Ventilkörper ausübt und anschließend im Magnetfeld ein weiteres Wegstück zur Einstellung des Mindesthubes des Ventilkörpers verschoben wird. Mit Hilfe des Magnetankers und dessen Befestigung im Magnetfeld wird somit sowohl der Stoß ausgeführt als auch der Mindesthub festgelegt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein elektromagnetisch gesteuertes Injektionsventil vorgesehen, das einen bewegbaren Ventilkörper aufweist, der eine im Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors mündende Zufuhrleitung für ein Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch kraftschlüssig schließt und unter Einwirkung eines elektromagnetischen Magnetfeldes öffnet. Gemäß der Erfindung ist nach Patentanspruch 3 im Elektromagneten ein im Magnetfeld beschleunigbarer Magnetanker angeordnet, der den Stoß zum Öffnen des Ventilkörpers ausführt, und der anschließend im Magnetfeld eine weitere Wegstrecke zur Einstellung des Mindesthubes des Ventilkörpers verschiebbar ist. Darüber hinaus ist dafür Sorge getragen, daß vom Druck des Brennstoff/Wasserdampf-Gemisches in der Zufuhrleitung auf den Ventilkörper eine resultierende Kraft in Schließrichtung des Ventilkörpers ausgeübt wird, so daß beim Abschalten oder bei Änderung des Magnetfelds zum Abschluß des Ventilkörpers ein rasches Schließen stets gesichert ist.

Bevorzugt ist der Ventilkörper nach Patentanspruch 4 an einem Ventilschaft befestigt, auf den der Magnetanker nach seiner Beschleunigung im Magnetfeld aufstößt und der infolge der zusätzlichen Verschiebung des Magnetankers im Magnetfeld kraftschlüssig derart gehalten ist, daß der Ventilkörper um einen Mindesthub geöffnet wird. Der Ventilschaft ist darüber hinaus in der Weise ausgebildet, daß der Druck des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches in der Zufuhrleitung auf den Ventilkörper eine resultierende Kraft in Schließrichtung des Ventilkörpers ausübt. Hierzu ist nach Patentanspruch 5 der freie Leitungsquerschnitt in der Zufuhrleitung, der für die auf den Ventilkörper in Öffnungsrichtung wirkende Kraftkomponente maßgebend ist, kleiner bemessen als der freie Leitungsquerschnitt, der für die auf den Ventilschaft in Schließrichtung des Ventilkörpers wirkende Kraftkomponente maßgebend ist. Durch dies Ausbildung der freien Luftquerschnitte ist sichergestellt, daß bei jedem Druck des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches in der Zufuhrleitung, also auch bei abfallendem Druck beim Ausströmen des Dampfgemisches bei geöffnetem Ventilkörper, die resultierende Kraft stets zum Schließen des Ventilkörpers nutzbar ist.

Um ein schnelles Öffnen und insbesondere auch ein rasches Schließen des Ventilkörpers zu erreichen, ist es nach Patentanspruch 6 zweckmäßig, die Beschleunigungsstrecke für den Magnetanker um ein Mehrfaches länger auszulegen als die zusätzliche Wegstrecke für den Mindesthub, damit die Massenträgheit des zu beschleunigenden Magnetankers, dessen Masse nach Patentanspruch 7 größer ist als die Gesamtmasse von Ventilkörper und Ventilschaft bemessen ist, für rasche Bewegungswechsel des Ventilkörpers in Grenzen zu halten ist. Ohne diese Ausbildung müßten - um ausreichende Kräfte zum Öffnen des Ventilkörpers zu erzielen - massereiche Magnetanker verwendet werden, für deren Einsatz dann unerwünscht hohe Massenträgheiten in Kauf zu nehmen sind.

Zur Erleichterung der Rücksetzung des Magnetankers bei einer Magnetfeldänderung, insbesondere nach Abschalten des elektrischen Stroms zur Erzeugung des Magnetfeldes, ist der Magnetanker gegen die Kraft einer Ankerrückstellfeder bewegbar, Patentanspruch 8. Die Ankerrückstellfeder ist derart dimensioniert, daß der Magnetanker aus seiner maximalen Auslenkposition im Elektromagneten, bei der er nach Durchlaufen der zusätzlichen Wegstrecke zur Einstellung des Minimalhubes die Gegenpolflächen des Elektromagneten berühren kann, beim Schließen des Ventilkörpers möglichst schnell wieder in seine Ausgangsposition zurückgeführt wird.

Auch am Ventilschaft greift eine die Führung von Ventilschaft und Ventilkörper stabilisierende Ventilrückstellfeder an, Patentanspruch 9. Die Ventilrückstellfeder unterstützt die Rückführung von Ventilschaft und Ventilkörper beim Schließen des Injektionsventils, sie erleichtert aber auch das Einsetzen des Ventilschaftes, insbesondere bei Montage des Injektionsventils, wenn die Zuführleitung kein Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch enthält und somit drucklos ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung schematisch wiedergegeben ist, näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein elektromagnetisches Injektionsventil für die direkte Zufuhr von Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch in den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors in vorkomprimierte Verbrennungsluft. Das Injektionsventil ist in geschlossener Stellung dargestellt.

Das Injektionsvenil weist einen Elektromagneten mit Magnetgehäuse 1 und eine im Magnetgehäuse angeordnete, über Stromleiter 2 mit elektrischem Strom beaufschlagbare Magnetspule 3 auf. Bei Betrieb der Magnetspule ist im Magnetinnenraum innerhalb des Wirkungsbereiches des erzeugten Magnetfeldes im Magnetspalt 4 ein Magnetanker 5 bewegbar. Der Magnetanker ist im Ausführungsbeispiel hohlzylindrisch ausgebildet und an einem seiner Enden an einer Halterung 6 befestigt, die den Magnetanker in seiner Ruhestellung mittels einer Druckfeder, die zugleich als Ankerrückstellfeder 7 wirkt, kraftschlüssig gegen einen Anschlag 8 am Deckel 9 des Magnetgehäuses 1 drückt.

Der Magnetanker 5 wird bei Betrieb der Magnetspule 3 im erzeugten Magnetfeld im ringförmigen Magnetspalt 4 gegen die Kraft der Ankerrückstellfeder 7 in Öffnungsrichtung 10 bewegt und stößt im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem als Stößel 11 ausgebildeten Ende der Halterung 6 nach Durchlaufen einer Beschleunigungsstrecke HB auf einen innerhalb des hohlzylindrischen Magnetankers 5 im Magnetankerhohlraum 12 angeordneten Ventilschaft 13 auf. Nach seinem Aufschlag auf den Ventilschaft wird der Magnetanker 5 im Magnetfeld in Öffnungsrichtung 10 noch eine weitere Wegstrecke HV bewegt, bis er auf einer die Wegstrecke begrenzenden Polfläche seines magnetischen Gegenpols 14 auftrifft. Insgesamt bewegt sich der Magnetanker 5 im Magnetfeld somit um einen Bewegungsweg HA (HA = HB + HV). Zum Aufschlag des Stößels 11 und zur kraftschlüssigen Führung des Ventilschafts durch den Magnetanker bei seiner Verschiebung um die Wegstrecke HV weist der Ventilschaft 13 eine Aufschlagplatte 15 auf, die im Ausführungsbeispiel am Ventilschaft verschraubt und gegen die Kraft einer Ventilrückstellfeder 16 zu befestigen ist.

Der Ventilschaft 13 verläuft umgeben von einer an ihm befestigten Ventilschafthülse 17 zentral im Magnetankerhohlraum 12, überragt diesen und ist an seinem der Aufschlagplatte 15 entgegengesetzten Ende mit einem Ventilkörper 18 verbunden, der im Ausführungsbeispiel als Ventilteller ausgebildet ist und im Ventilkopf 19 auf einem Ventilsitz 20 aufsitzt. Die Dichtfläche des Ventilsitzes 20 ist der Dichtfläche des Ventilkörpers 18 entsprechend geformt. In seiner Schließstellung verschließt der Ventilkörper 18 eine im Ventilgehäuse 21 und durch den Ventilkopf 19 verlaufende Zufuhrleitung 22 für ein Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch. Zum Einleiten des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemischs in die Zufuhrleitung 22 ist am Ventilgehäuse 21 ein Gemischanschluß 23 vorgesehen. Die Zufuhrleitung mündet bei geöffnetem Ventilkörper 18 in einem Verbrennungsraum 24 eines Verbrennungsmotors. Bei seiner Öffnung verschiebt sich der Ventilkörper 18 in den Verbrennungsraum 24 hinein.

Zur Montage von Ventilschaft 13 mit Ventilkörper 18 wird der Ventilschaft in Schließstellung des Ventilkörpers von der Ventilrückstellfeder 16 stabilisiert, die zwischen einer Auflage 25 an der Aufschlagplatte 15 des Ventilschaftes 13 und einer Auflage an einer rohrförmigen Stützhülse 26 eingesetzt ist. Die Stützhülse 26 stützt sich am Ventilgehäuse 21 ab. Ventilgehäuse 21 und Ventilkopf 19 sind gasdicht aneinander befestigt und gasdicht am Zylinderkopf 27 des Verbrennungsraums 24 angebracht.

Der Ventilschaft 13 wird über Zentrierungen 28, die bei Bewegung des Ventilschaftes auf Innenflächen im Ventilkopf 19 gleiten, zentral in der Zufuhrleitung 22 geführt. Zur Zentrierung des Ventilschaftes 13 dient auch ein Führungsring 29 im Ventilgehäuse 21. Der Führungsring bildet keine Drucksperre für die Wirkung des Druckes des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemischs, auch im Ventilraumschaft 30 herrscht der gleiche Druck wie in der Zufuhrleitung 22, denn Ventilschaftraum 30 und Zufuhrleitung 22 stehen miteinander in räumlicher Verbindung. Abgeschlossen gegenüber der äußeren Umgebung wird der Ventilschaftsraum 30 durch einen Faltenbalg 31, der gasdicht einerseits an ihm zugewandten Ende der Ventilschaftshülse 17 am Ventilschaft 13, andererseits mittels eines Stützrings 32 am Ventilgehäuse 21 befestigt ist und bei Bewegung des Ventilschafts relativ zum Ventilgehäuse elastisch federnd deformiert wird.

Damit auf den Ventilschaft 13 und somit auf den Ventilkörper 18 bei Betrieb des Injektionsventils und herrschendem Betriebsdruck in Zufuhrleitung 22 und Ventilschaftsraum 30 stets eine resultierende Kraft in Schließrichtung des Ventilkörpers ausgeübt wird und der Ventilkörper gegen den Ventilsitz 20 gepreßt wird, ist der freie Leitungsquerschnitt FV der Zufuhrleitung 22, der im Ventilkopf 19 vom Ventilkörper 18 geschlossen wird, kleiner bemessen als der freie Leitungsquerschnitt FS des Ventilschaftraums 30 am entgegengesetzten Ende des Ventilschafts, an dem der Faltenbalg 31 im Ausführungsbeispiel unterhalb der Ventilschaftshülse 17 am Ventilschaft 13 angreift. Die so bei jedem Druck des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemischs größere Kraft in Schließrichtung des Ventilkörpers sorgt dann auch nach Zufuhr von Gemisch in den Verbrennungsraum für ein rasches Schließen des Ventils.

Für das Öffnen des Ventilkörpers sind folgende in Schließrichtung wirkende Kräfte zu überwinden:

- die im Verbrennungsraum 24 gegen den Ventilkörper gerichtete Kraft infolge Vorkompression der Verbrennungsluft,
- die am Ventilkörper angreifende resultierende Kraft infolge des Druckes des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches in der Zufuhrleitung 22,
- die Federkraft der Ventilrückstellfeder 16.

Die Summe dieser Kräfte würde erhebliche Magnetkräfte erfordern, würde man den Ventilkörper 17 allein durch bloßes Verschieben des Ventilschafts im Magnetfeld öffnen wollen. Beim erfindungsgemäßen Injektionsventil wird die Öffnungsphase jedoch bei Strombeaufschlagung und Inbetriebnahme der Magnetspule schlagartig durch Stoß des Magnetankers auf den Ventilschaft eingeleitet und somit zum Bewegen des Ventilschaftes und Öffnen des Ventilkörpers in den Verbrennungsraum hinein eine erhebliche Kraftverstärkung erreicht. Diese Kraftverstärkung ermöglicht es, mit schwächeren Elektromagneten auszukommen, was nicht nur elektrische Energie, sondern vor allem benötigten Raum und Gewicht für die bei Verbrennungsmotoren pro Zylinder erforderlichen Injektionsventile erspart.

Im erzeugten Magnetfeld wird der Magnetanker 5 aus seiner in der Zeichnung dargestellten Ruhestellung am Anschlag 8 im Deckel 9 in Öffnungsrichtung 10 zunächst über die Beschleunigungsstrecke HB beschleunigt und schlägt am Ende dieser Strecke auf die Aufschlagplatte 15 des Ventilschafts 13 auf. Der Stoß verschiebt Ventilschaft 13 und Ventilkörper 18 und öffnet das Ventil. Nach seinem Aufschlag wird der Magnetanker 5 im Magnetfeld noch um die Wegstrecke HV bewegt, die bei starrer Befestigung zwischen Ventilkörper und Ventilschaft den Mindesthub des Ventilkörpers 18 bei dessen Bewegung in den Verbrennungsraum 24 hinein bestimmt. Im Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß sich der Magnetanker maximal über die gesamte axiale Länge des ringförmigen Magnetspaltes 4 verschieben kann. Der insgesamt vom Magnetanker 5 zurückgelegte maximale Bewegungsweg HA erstreckt sich somit - wie in der Zeichnung angegeben - bis zum magnetischen Gegenpol 14. Die vom Magnetanker nach seinem Aufschlag auf die Aufschlagplatte 15 tatsächlich zusätzlich zurückgelegte Wegstrecke HV kann jedoch je nach Steuerung des Magnetfeldes auch kürzer bemessen sein. Der jeweils bewirkte Ventilhub und die Öffnungszeit des Injektionsventils bestimmen die in den Verbrennungsraum eingeführte Gemischdampfmenge.

Der Kraftschluß zwischen Aufschlagplatte 15 und Stößel 11 zur Einstellung des Mindesthubes HV sowie das schnelle Schließen des Injektionsventils wird durch die Rückstellkräfte erreicht, die auf den Ventilschaft 13 wirken, also insbesondere durch die resultierende Kraft aufgrund des Drucks des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches in der Zufuhrleitung 22 und die Kraft der Ventilrückstellfeder 16 sowie durch die in Schließrichtung am Ventilkörper 18 angreifende Kraft infolge des Gasdrucks im Verbrennungsraum 24. Zu berücksichtigen ist aber auch der gegebenenfalls gegebene resultierende Rückstoß auf den Magnetanker 5, der verursacht wird, wenn der Magnetanker - wie im Ausführungsbeispiel - nach seiner maximalen Auslenkung im Magnetspalt 4 am Ende der Wegstrecke HV auf den Gegenpol 14 auftrifft.

Die maximale Wegstrecke HV und damit der maximal mögliche Mindesthub werden im Ausführungsbeispiel durch Einstellung des Abstandes zwischen Stößel 11 und Aufschlagplatte 15 reguliert. Mittels Schraubgewinde 33 zwischen Magnetgehäuse 1 und Ventilgehäuse 21 einerseits im Gewindezapfen 34 am Ventilgehäuse und andererseits an Gewindekappe 35 am Magnetgehäuse 1 kann der Magnetanker 5 relativ zum Ventilschaft 13 und zu den in den Magnetankerhohlraum 12 hineinragenden Teilen des Injektionsventils verstellt werden. Zur Verstellung greift an der Gewindekappe 35 auf ihrer von außen zugänglichen Seite ein Verstellantrieb 36 an, mit dem die Gewindekappe 35 um den ortsfest angeordneten Gewindezapfen 34 drehbar ist. Ist der gewünschte Abstand zwischen Aufschlagplatte 15 und Stößel 11 erreicht, wird die Gewindekappe im Ausführungsbeispiel mittels Gewindespannrings 37 gegen ein Verdrehen auf dem Gewindezapfen 34 gesichert. Zur Verstellung des Mindesthubes während des Betriebes entfällt die Sicherung der Gewindekappe mittels des Gewindespannrings 37. Für diesen Fall wird der für den Betrieb jeweils erforderliche Mindesthub durch Steuerung des Verstellantriebs 36 geregelt. Darüber hinaus läßt sich zur Einstellung der Beschleunigungsstrecke HB die Länge des Stößels 11 verändern. Hierzu ist die Halterung 6 nach Öffnen des Deckels 9 über ein Gewinde 38 relativ zum Magnetanker 5 verstellbar. In gewünschter Lage wird die Halterung 6 mittels einer Kontermutter 39 am Magnetanker fixiert. Der maximale Bewegungsweg HA des Magnetankers 5 ist durch Verschieben des Anschlags 8 im Deckel 9 in Achsrichtung des hohlzylindrischen Magnetankers 5 einstellbar. In gewünschter Stellung wird die Halterung 8 am Deckel 9 mittels Spannschraube 40 ortsfest verspannt. Ist bei dieser im Ausführungsbeispiel festen Einstellung von Beschleunigungsstrecke und Mindesthub die benötigte Brennstoffdampf/Wasserdampf-Menge zu variieren, wird die Öffnungszeit des Ventils geändert. Der das Magnetfeld erzeugende elektrische Strom ist dann entsprechend der gewünschten Öffnungszeit zu regeln, er läßt sich vor, bei oder auch nach Erreichen des Mindesthubes abschalten oder verändern. Im einfachsten Fall wird ein Abschalten des Stroms ausreichend sein, zur Beschleunigung des Schließvorganges ist aber auch ein vorübergehendes Umpolen des Stroms möglich.

Im Ausführungsbeispiel war die Beschleunigungsstrecke HB ca. 1 mm, die weitere Wegstrecke für den Mindesthub HV ca. 0,15 mm lang. Für den Magnetanker 5 ist also insgesamt ein Bewegungsweg HA von 1,15 mm vorgesehen. Die Masse des Magnetankers war etwa achtmal größer als die zum Öffnen der Zufuhrleitung 22 zum Verbrennungsraum 24 zu bewegende Masse, also von Ventilkörper 18 und Ventilschaft 13 mit daran befestigten Teilen, wie im Ausführungsbeispiel insbesondere Aufschlagplatte 15 und Ventilschafthülse 17. In Schließrichtung wirkten auf Ventilschaft und Ventilkörper folgende Kräfte:

- Kraft auf den Ventilkörper infolge Vorkompression der Verbrennungsluft = 60 N,
- resultierende Kraft auf den Ventilschaft aufgrund des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Druckes = 200 N,
- Kraft der Ventilrückstellfeder = 30 N.

Insgesamt waren somit zum Öffnen der Ventilkörper 290 N zu überwinden.

Der Elektromagnet ist so ausgelegt, daß im Magnetfeld im Magnetspalt 4 auf den Magnetanker 5 bei einem Abstand von 0,15 mm zwischen ihm und dem Gegenpol 14 eine Magnetkraft von ca. 70 N wirkt. Zum Öffnen des Ventilkörpers ist also eine etwa vierfach größere Kraft erforderlich, die durch Stoß des Magnetankers auf den Ventilschaft erzeugt wird. Die Zeit zum Öffnen des Ventilkörpers bis zum Erreichen des vollen Ventilhubes sowie die Schließzeit betrugen beide etwa 1 msec.

Für den Schließvorgang ist neben den Massen von Ventilkörper und Ventilschaft auch die Masse des zurückzusetzenden Magnetankers zu berücksichtigen. Hierzu dient die Ankerrückstellfeder 7. Im Ausführungsbeispiel ist sie für eine Rückstellkraft von 20 N ausgelegt. Um ein "Kleben" des Magnetankers an Polflächen des Gegenpols infolge Remanenz zu verringern, lassen sich Scheiben aus nichtmagnetischem Material auf den Polflächen des Gegenpols oder den Polflächen des Magnetankers anbringen. Vorteilhaft für ein schnelles Schließen ist auch die Kraftwirkung infolge des sich im Verbrennungsraum entwickelnden Verbrennungsdrucks. Die durch die Verbrennung des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches im Verbrennungsraum auf den Ventilkörper ausgeübte Kraft beträgt im Ausführungsbeispiel 90 N, sie ist also um 30 N höher als die aufgrund der Vorkompression auf den Ventilkörper wirkende Kraft von 60 N.

Mit dem Injektionsventil gemäß der Erfindung wurde ein Zweitaktmotor mit einer Leistung von 1 kW betrieben.

Bezugszeichenliste

1

Magnetgehäuse

2

Stromleiter

3

Magnetspule

4

Magnetspalt

5

Magnetanker

6

Halterung

7

Ankerrückstellfeder

8

Anschlag

9

Deckel

10

Öffnungsrichtung

11

Stößel

12

Magnetankerhohlraum

13

Ventilschaft

14

Gegenpol

15

Aufschlagplatte

16

Ventilrückstellfeder

17

Ventilschaftshülse

18

Ventilkörper

19

Ventilkopf

20

Ventilsitz

21

Ventilgehäuse

22

Zufuhrleitung

23

Gemischanschluß

24

Verbrennungsraum

25

Auflage

26

Stützhülse

27

Zylinderkopf

28

Zentrierung

29

Führungsring

30

Ventilschaftraum

31

Faltenbalg

32

Stützring

33

Schraubgewinde

34

Gewindezapfen

35

Gewindekappe

36

Verstellantrieb

37

Gewindespannring

38

Gewinde

39

Kontermutter

40

Spannschraube
HB Beschleunigungsstrecke
HV Wegstrecke entsprechend Ventilhub
HA Bewegungsweg
FV, FS Leitungsquerschnitte

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetisch gesteuerten Injektionsventils zum Zuführen von unter Druck stehendem Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch zum Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors in vorkomprimierte Verbrennungsluft, wobei sich ein kraftschlüssig schließender Ventilkörper unter Einwirkung des Magnetfeldes bewegt und dabei zur Ausführung eines Ventilhubes in den Verbrennungsraum hinein geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Druck des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches auf den Ventilkörper eine in Schließrichtung des Ventilkörpers wirkende resultierende Kraft ausgeübt wird, und daß die Öffnungsphase des Ventilkörpers mittels in Öffnungsrichtung des Ventilkörpers gerichteten Stoßes eingeleitet und der Ventilkörper anschließend um einen Mindesthub geöffnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoß zur Bewegung des Ventilkörpers mittels eines im Magnetfeld gegen die Kraft einer Ankerrückstellfeder beschleunigten Magnetankers ausgeübt wird, und daß der Magnetanker im Magnetfeld anschließend zur Einstellung des Mindesthubes in Öffnungsrichtung des Ventilkörpers verschoben wird.

3. Elektromagnetisch gesteuertes Injektionsventil zum Zuführen von unter Druck stehendem Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch zum Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors in vorkomprimierte Verbrennungsluft mit einem in elektromagnetischem Magnetfeld bewegbaren Ventilkörper (18), der eine Zufuhrleitung (22) für das Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch zum Verbrennungsraum kraftschlüssig schließt und sie unter Einwirkung des Magnetfeldes öffnet, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Druck des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches in der Zufuhrleitung (22) auf den Ventilkörper (18) eine resultierende Kraft in Schließrichtung des Ventilkörpers (18) wirksam ist, daß ein Magnetanker (5) vorgesehen ist, der zum Öffnen des Ventilkörpers (18) im Magnetfeld zu beschleunigen ist und nach Durchlaufen einer Beschleunigungsstrecke (HB) einen Stoß auf den Ventilkörper (18) in Öffnungsrichtung (10) ausübt und der anschließend über eine weitere Wegstrecke (HV) zur Einstellung eines Mindesthubes für den sich öffnenden Ventilkörper (18) bewegbar ist.

4. Injektionsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (18) an einem Ventilschaft (13) befestigt ist, der vom beschleunigten Magnetanker (5) anzustoßen und kraftschlüssig in Mindesthubstellung zu halten ist, und daß der Ventilschaft (13) dem Druck des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches in der Weise ausgesetzt ist, daß auf den Ventilschaft (13) eine resultierende Kraft in Schließrichtung des Ventilkörpers (18) ausgeübt wird.

5. Injektionsventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zufuhrleitung (22) des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches der freie Leitungsquerschnitt (FV), der für die auf den Ventilkörper (18) in Öffnungsrichtung (10) des Ventilkörpers (18) ausgeübte Kraft maßgebend ist, kleiner bemessen ist, als der freie Leitungsquerschnitt (FS) der Zufuhrleitung (22), der für die auf den Ventilschaft (13) ausgeübte Kraft in Schließrichtung des Ventilkörpers (18) maßgebend ist.

6. Injektionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsstrecke (HB) für den Magnetanker (5) länger bemessen ist als die Wegstrecke (HV) zur Einstellung des Mindesthubs.

7. Injektionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Magnetankers (5) größer als die Gesamtmasse von Ventilkörper (18) und Ventilschaft (13) mit daran befestigten Teilen ausgelegt ist.

8. Injektionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetanker (5) im Magnetfeld gegen die Kraft einer Ankerrückstellfeder (7) bewegbar ist.

9. Injektionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilschaft (13) eine in Schließrichtung des Ventilkörpers (18) wirkende Ventilrückstellfeder (16) angreift.