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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Zylindereinspritzung,
welches an einem Zylinderkopf angebracht wird, um Kraftstoff direkt
in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen.
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8 ist eine Seitenansicht,
im Querschnitt, eines konventionellen Kraftstoffeinspritzventils,
welches beispielsweise in der japanischen Veröffentlichung eines ungeprüften Patents
JP-A-2 215963 (1990) beschrieben ist. In dieser Figur bezeichnet das
Bezugszeichen 21 ein Joch, welches einen Einspritzventilkörper bildet,
in welchem eine Spuleneinheit 24 mit einem Kern 22,
eine Elektromagnetspule 23 usw. fest angebracht sind. Das
Bezugszeichen 25 bezeichnet einen Kolben oder Tauchkolben.
Ein Ring 26 ist mit einem Ende des Kolbens verbunden, und eine
Stange 27 ist mit dessen anderem Ende einstückig verbunden,
durch ein Verbindungsverfahren wie beispielsweise plastische Verformung,
Schweißen oder
Preßsitz.
Weiterhin ist ein Kugelventil 28 so mit der Spitze der
Stange 27 verschweißt,
daß es
einstückig
mit dieser verbunden ist. Der Kolben 25 ist in einen Kraftstoffkanal 29 eingeführt, der
im Zentrum des Jochs 21 in Axialrichtung des Jochs 21 verläuft, und der
in derselben Richtung wie der Kern 22 angeordnet ist. Ein
Teil des Ringes 26 ist in den Innenumfang eines Endes des
Kerns 22 so eingeführt,
daß der Kern 22 gleitbeweglich
ist. Eine Rückführfeder 31 ist zwischen
dem Kolben 25 und einer Federkrafteinstellvorrichtung 30 angeordnet,
die in den Kern 22 eingeschraubt ist.
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Am
unteren Ende des Jochs 21 ist eine Düse 32 angebracht.
Die zylinderförmige
Düse 32 ist
so ausgebildet, daß ein
Ventilsitz 33 in einem inneren Abschnitt vorgesehen ist;
eine Kraftstoffeinspritzdüse 34 an
der stromabwärtigen
Seite des Ventilsitzes 33 angeordnet ist; und ein Bauteil 35,
welches eine Wirbelkraft bei Kraftstoff erzeugt, fest auf der stromaufwärtigen Seite
des Ventilsitzes 33 angeordnet ist.
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Das
Bauteil 35, welches eine Wirbelkraft in dem Kraftstoff
hervorruft, weist einen ringförmigen Körperabschnitt
auf. Das Kugelventil 28 ist in den Innendurchmesserabschnitt
(den Innenumfang) des ringförmigen
Abschnitts so eingeführt,
daß das
Kugelventil 28 so geführt
wird, daß es
sich in Axialrichtung hin- und herbewegen kann. Das Bezugszeichen 36 bezeichnet
einen Anschlag zum Steuern der Bewegungsentfernung des Kugelventils 28,
welches im oberen Abschnitt der Düse 32 vorgesehen ist.
Das Bezugszeichen 37 bezeichnet eine Kraftstoffversorgungsöffnung,
die in dem Joch 21 vorgesehen ist, und das Bezugszeichen 38 bezeichnet
einen Verbinder.
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Als
nächstes
erfolgt eine Erläuterung
des Betriebsablaufes. Die Elektromagnetspule 23 wird dadurch
gesteuert, daß EIN- und AUS-Signale über den Verbinder 38 entsprechend
einem vorbestimmten Tastverhältnis
geliefert werden, wodurch die Elektromagnetspule 23 erregt
bzw. abgeschaltet wird. Wenn die Elektromagnetspule 23 erregt
wird, bilden die Spule 23, der Kern 22, das Joch 21 und
der Kolben 25 eine magnetische Schaltung, und werden der
Kolben 25 und das Kugelventil 28 gleichzeitig
magnetisch an die Seite des Kerns 22 angezogen.
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Daher
wird ein Flußkanal
mit ringförmiger Form
(ein kleiner Raum) zwischen dem Kugelventil 28 und dem
Ventilsitz 33 in einem geöffneten Ventilzustand gehalten.
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Bei
dem konventionellen Kraftstoffeinspritzventil mit dem voranstehend
geschilderten Aufbau gab es jedoch in der Hinsicht Schwierigkeiten,
daß die
Verbrennungsleistung wesentlich durch ungleichförmige Kraftstoffzerstäubung beeinflußt wird,
die hervorgerufen wird, wenn Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt
wird.
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Aus
der
DE 38 78 599 T2 ist
ein Kraftstoffeinspritzventil mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmalen bekannt, bei welchem das Ventil als Kugelventil
ausgebildet ist. Aus der
DE
34 39 892 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil für Zylindereinspritzung
bekannt, bei welchem dessen Ventil als Nadelventil ausgebildet ist.
Das Nadelventil ist gleitend verstellbar in ein Ventilloch eingepasst,
und dient dazu, eine Einspritzöffnung
zu öffnen
und zu schließen.
Ein tangentialer Kanal dient zur Verwirbelung von Kraftstoff, wenn
das Nadelventil angehoben ist, und es sind Einrichtungen zur Änderung
des Bereichs eines Düsenspalts
zwischen dem Ventilkörper
und dem Nadelventil zur Änderung
der Menge des durch den Düsenspalt
zugeführten
Kraftstoffs relativ zu der Menge des durch einen tangentialen Kanal
zugeführten
Kraftstoffs im Ansprechen auf die Motordrehzahl vorgesehen. Der
Düsenspalt
ist in dem Ventilloch und/oder dem Nadelventil nahe dem tangentialen
Kanal und an einem Teil vorgesehen, wo das Nadelventil in dem Ventilloch
gleitend verschiebbar ist.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Lösung der voranstehend geschilderten Schwierigkeiten,
nämlich
in der Beseitigung der Ungleichförmigkeit
der Kraftstoffzerstäubung, die
durch Kraftstoffeinspritzung hervorgerufen wird, in der Verhinderung
des Eintretens von Verunreinigungen in einen Führungsabschnitt, und in der
Verbesserung der Abdichteigenschaften des Ventils.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritzventil mit den im Patentanspruch
1 angegebenen Merkmalen zur Verfügung
gestellt.
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Vorzugsweise
ist bei dem Kraftstoffeinspritzventil die Länge eines Gleitabschnitts zwischen
der Wirbelerzeugungsvorrichtung und dem Nadelventil so gewählt, daß sie größer als
der Innendurchmesser der Wirbelerzeugungsvorrichtung ist.
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Vorzugsweise
ist bei dem Kraftstoffeinspritzventil ein Spalt zwischen dem Außendurchmesser der
Wirbelerzeugungsvorrichtung und dem Innendurchmesser des Ventilkörpers so
eingestellt, daß er kleiner
oder gleich der Hälfte
der Anhebeentfernung des Nadelventils ist.
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Vorzugsweise
stehen der Außendurchmesser
des Ventilsitzes und der Innendurchmesser des Ventilkörpers über einen
Preßsitz
miteinander in Eingriff.
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Vorzugsweise
führen
der Innendurchmesser der Wirbelerzeugungsvorrichtung und der Außendurchmesser
des Nadelventils das Nadelventil zum Zeitpunkt des geöffneten
Zustands des Nadelventils.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
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1 eine
Seitenansicht, im Querschnitt, eines Kraftstoffeinspritzventils
für Zylindereinspritzung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
vergrößerte Querschnittsansicht eines
Spitzenabschnitts eines Nadelventils gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
vergrößerte Querschnittsansicht eines
Spitzenabschnitts eines Ventils gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 ein
Diagramm mit der Darstellung der Beziehung zwischen Spalten oder
Zwischenräumen zwischen
dem Innendurchmesser einer Wirbelerzeugungsvorrichtung und dem Außendurchmesser
eines Nadelventils zu Fehlerraten der Flußmenge, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden
Erfindung;
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5 eine
Perspektivansicht mit einer schematischen Darstellung eines Spitzenabschnitts
eines Nadelventils gemäß der Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie D-D in 2;
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7 eine
vergrößerte Querschnittsansicht eines
Spitzenabschnitts eines Nadelventils gemäß einer Ausführungsform
5 der vorliegenden Erfindung; und
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8 eine
seitliche Querschnittsansicht eines konventionellen Kraftstoffeinspritzventils.
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Nachstehend
erfolgt nunmehr eine detaillierte Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 7.
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1 ist
eine seitliche Querschnittsansicht eines Kraftstoffeinspritzventils 1 für Zylindereinspritzung
gemäß einer
Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung. In 1 weist
das Kraftstoffeinspritzventil 1 für Zylindereinspritzung ein
Gehäuse 2 und eine
Ventilvorrichtung 3 auf, die in einem Ende (in der Zeichnungen
unten) des Gehäuses 2 durch
eine Verbindungseinrichtung wie beispielsweise Bördeln gehaltert ist. Die Spitze
des Kraftstoffeinspritzventils 1 ist abgedichtet in ein
Einführungsloch 6 in
einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingeführt. Das andere
Ende (das obere Ende in der Figur) des Gehäuses 2 ist an ein
Kraftstoffzufuhrrohr 4 angeschlossen. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet
einen Kern; das Bezugszeichen 8 eine Spulenanordnung; das Bezugszeichen 9 eine
Spule; und das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Anker.
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Die
Ventilvorrichtung 3 weist einen zylindrischen Ventilkörper 13 mit
einem abgestuften Abschnitt auf, der einen zylindrischen Abschnitt
mit kleinem Durchmesser 11 und einen zylindrischen Abschnitt
mit großem
Durchmesser 12 umfaßt,
einen Ventilsitz 15 mit einer Einspritzdüse 14,
die an einem Spitzenabschnitt eines Zentrumslochs des Ventilkörpers 13 befestigt
ist, ein Nadelventil 16, welches durch eine Magnetspulenvorrichtung
so betätigt
wird, daß das
Kraftstoffeinspritzventil 1 in Bezug auf den Ventilsitz 15 geöffnet oder
geschlossen wird, und eine Wirbelerzeugungsvorrichtung 17 zum
Führen des
Nadelventils 16 in dessen Axialrichtung, und zur Bereitstellung
einer Wirbelbewegung eines Kraftstoffs, der nach Innen in Radialrichtung
in die Einspritzdüse 14 des
Ventilsitzes 15 fließen
soll. Der Ventilkörper 13 der
Ventilvorrichtung 3 bildet ein Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils 1 für Zylindereinspritzung
zusammen mit dem Gehäuse 2.
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Die 2 und 3 sind
vergrößerte Querschnittsansichten,
welche einen Spitzenabschnitt eines Nadelventils 16 im
geschlossenen bzw. im geöffneten
Zustand zeigen. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 13a einen
Innendurchmesserabschnitt eines Ventilkörpers 13, und bezeichnet
das Bezugszeichen 17a einen Innendurchmesserabschnitt einer
Wirbelerzeugungsvorrichtung 17.
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Als
nächstes
erfolgt eine Beschreibung des Betriebsablaufs des wie voranstehend
geschildert aufgebauten Kraftstoffeinspritzventils. Wenn die Spule 9 mit
Strom versorgt wird, erzeugt eine magnetische Schaltung, die aus
dem Anker 10, dem Kern 7 und dem Gehäuse 2 besteht,
einen Magnetfluß,
wodurch der Anker 10 an die Seite des Kerns 7 angezogen
und zu dieser hin bewegt wird. Das Nadelventil 16, welches
einstückig
mit dem Anker 10 ausgebildet ist, gleitet in Richtung nach
oben, geführt
durch den Innendurchmesserabschnitt 17a der Wirbelerzeugungsvorrichtung 17,
wodurch ein Zwischenraum zwischen dem Nadelventil 16 und
dem Ventilsitz 15 entsprechend der Trennung des Nadelventils 16 und des
Ventilsitzes 15 auftritt. Dann gelangt Kraftstoff unter
hohem Druck von dem Ventilkörper 13 zu
der Wirbelerzeugungsvorrichtung 17, in welcher der Kraftstoff
zu einem Fluß mit
einer Wirbelbewegung veranlaßt
wird. Der Wirbelfluß des
Kraftstoffs tritt in die Einspritzdüse 14 des Ventilsitzes 15 ein,
und wird am Auslaß der
Einspritzdüse 14 zerstäubt.
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Wenn
in den 2 und 3 die Beziehung A-B ≤ X/2 eingestellt
ist, wobei A den Innendurchmesser der Wirbelerzeugungsvorrichtung 17 bezeichnet,
B den Außendurchmesser
des Nadelventils 16, und X die Anhebeentfernung des Nadelventils 16, so
ist das Ausmaß der
Exzentrizität
des Nadelventils in Bezug auf den Ventilsitz 15 im Öffnungszustand
so gesteuert, daß es
höchstens
X/2 beträgt,
wodurch eine ungleichförmige
Zerstäubung
unterdrückt
werden kann.
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In 4 ist
die Beziehung zwischen Zwischenräumen
(A-B) und Fehlerraten der Flußmenge (Index
für das
Ausmaß der
Ungleichförmigkeit
des zerstäubten
Kraftstoffs) dargestellt, auf der Grundlage von Untersuchungen und
Ergebnissen tatsächlicher
Messungen, wenn die Nadelventilanhebeentfernung X 60 Mikrometer
beträgt.
Wie die Ergebnisse der Untersuchungen der Fehlerraten der Flußmenge erhalten
wurde, wird nachstehend genauer erläutert. In 5 ist
ein im Durchmesser unterteilter Halbabschnitt in der Horizontalebene
der Einspritzdüse 14 im
Horizontalschnitt gleichmäßig in a1, a2, a3,
..., an unterteilt, und ist der andere Halbabschnitt
ebenfalls gleichmäßig in n
Elemente b1, b2,
b3, ..., bn unterteilt. Wenn
die Symbole Qa1, Qa2,
Qa3, ..., Qan Flußmengen
bezeichnen, welche durch die Abschnitte a1,
a2, a3, ..., an hindurchgehen, und die Symbole Qb1, Qb2, Qb3, ..., Qbn die Mengen
angeben, die durch die Abschnitte b1, b2, b3, ..., bn hindurchgehen, lassen sich die Flußfehlerraten
aus einer Formel so erhalten, wie es in 4 dargestellt
ist.
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Wie
aus 4 hervorgeht, nimmt in einem Fall, in welchem
die Nadelventilanhebeentfernung X 60 Mikrometer beträgt, die Ungleichförmigkeit
der Zerstäubung
des Kraftstoffs abrupt bei einem Spalt (A-B) von etwa 30 Mikrometer
oder mehr zu.
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Ein
Kraftstoffeinspritzventil für
Zylindereinspritzung gemäß Ausführungsform
2 ist ebenso wie voranstehend geschildert aufgebaut, unter der Voraussetzung,
daß die
Beziehung C ≥ A
erfüllt
ist, wie in 2 gezeigt, wobei C die Länge eines
Spaltabschnitts zwischen dem Innendurchmesser der Wirbelerzeugungsvorrichtung 17 und
dem Außendurchmesser
des Nadelventils 16 bezeichnet, die sich im Gleitzustand
befinden, und A den Innendurchmesser der Wirbelerzeugungsvorrichtung 17 bezeichnet. Durch
eine derartige Konstruktion kann das Eindringen von Verunreinigungen
verhindert werden.
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6 zeigt
Ausführungsform
3 und ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie D-D in 2. In 6 ist
folgender Aufbau vorgesehen, nämlich daß die Beziehung
E-F ≤ X/2
erfüllt
ist, wobei E den Innendurchmesser des Ventilkörpers 13 bezeichnet, und
F den Außendurchmesser
der Wirbelerzeugungsvorrichtung 17. Der Grund dafür, daß die Beziehung
E-F ≤ X/2
für einen
ordnungsgemäßen Sitz des
Nadelventils 16 erforderlich ist, besteht darin, daß die Beziehung
A-B ≤ X/2
bei dem Beispiel 1 bereits eingestellt ist.
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Der
Außendurchmesser
eines Ventilsitzes 15 bei Ausführungsform 4 ist größer als
der Innendurchmesser E eines Ventilkörpers 13 um einige
Mikrometer, um die erforderlichen Abmessungen für einen Preßsitz zur Verfügung zu
stellen. Der Ventilsitz 15 ist im Preßsitz in den Innendurchmesserabschnitt des
Ventilkörpers 13 eingefügt, mit
einem Unterschied der Abmessungen von einigen Mikrometer.
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Hierdurch
wird eine konzentrische Anordnung zwischen dem Ventilsitz 15 und
dem Ventilkörper 13 erzielt.
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Die
Konstruktion bei Ausführungsform
5 ist so, daß der
Innendurchmesser einer Wirbelerzeugungsvorrichtung 17 und
der Außendurchmesser des
Nadelventils 16 nicht in Berührung gelangen, wenn sich das
Nadelventil 16 auf dem Ventilsitz 15 befindet. 7 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht,
welche einen Spitzenabschnitt des Nadelventils 16 zeigt,
wobei G1, G2 Kontaktpunkte
des Nadelventils 16 mit dem Ventilsitz 15 bezeichnen
und g einen Punkt bezeichnet, an welchem sich die Zentrumslinie
des Nadelventils 16 und eine Linie G1-G2 schneiden. Aus 7 geht hervor,
daß dann,
wenn das Nadelventil 16 um den Punkt g gedreht wird, das Nadelventil 16 in
Kontakt mit einem Ventilkörper 13 an
einem Kontaktpunkt I gelangt, bevor das Nadelventil 16 in
Kontakt mit der Wirbelerzeugungsvorrichtung 17 an einem
Punkt H gelangt. Wie voranstehend geschildert gelangt, wenn sich
das Nadelventil 16 auf dem Ventilsitz 15 befindet,
der Außendurchmesser des
Nadelventils 16 nicht in Kontakt mit dem Innendurchmesser
der Wirbelerzeugungsvorrichtung 17, wodurch die Abdichtung
des Ventils verbessert wird.
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Bei
der Ausführungsform
5 wurde jener Fall erläutert,
bei welchem sich das Nadelventil 16 auf dem Ventilsitz 15 befindet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
6 ist ein solcher Aufbau vorgesehen, daß dann, wenn ein Nadelventil 16 betätigt wird,
der Innendurchmesser einer Wirbelerzeugungsvorrichtung 17 und
der Außendurchmesser
des Nadelventils 16 das Nadelventil 16 führen, wenn
sich das Nadelventils 16 im geöffneten Zustand befindet.
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Durch
einen derartigen Aufbau kann die Neigung des Nadelventils 16 gesteuert
werden, wodurch ein glatter Betrieb des Nadelventils 16 erzielt
wird.
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Wie
voranstehend geschildert kann bei dem Kraftstoffeinspritzventil
für Zylindereinspritzung
gemäß der ersten
Zielrichtung der vorliegenden Erfindung die Ungleichförmigkeit
des zerstäubten
Kraftstoffs dadurch verbessert werden, daß ein Spalt zwischen dem Innendurchmesser
einer Wirbelerzeugungsvorrichtung und dem Außendurchmesser eines Ventils
so vorgesehen wird, daß er
kleiner oder gleich der Hälfte
der Anhebeentfernung des Ventils ist.
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Bei
dem Kraftstoffeinspritzventil für
Zylindereinspritzung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann das Eindringen von Verunreinigungen
dadurch verhindert werden, daß die
Länge eines
Gleitabschnitts zwischen einer Wirbelerzeugungsvorrichtung und einem
Nadelventil größer ist als
der Innendurchmesser der Wirbelerzeugungsvorrichtung.
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Bei
dem Kraftstoffeinspritzventil für
Zylindereinspritzung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann ein Nadelventil dadurch ordnungsgemäß auf seinen
Sitz aufgesetzt werden, daß ein
solcher Spalt zwischen dem Außendurchmesser
einer Wirbelerzeugungsvorrichtung und dem Innendurchmesser eines
Ventilkörpers
vorgesehen wird, welcher kleiner oder gleich der Hälfte der
Anhebeentfernung des Nadelventils ist.
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Bei
dem Kraftstoffeinspritzventil für
Zylindereinspritzung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann eine konzentrische Anordnung zwischen
einem Ventilsitz und einem Ventilkörper erhalten werden, wenn
der Außendurchmesser eines
Ventilsitzes und der Innendurchmesser eines Ventilkörpers aneinander
angepaßt
sind. Dies wird dadurch erzielt, daß ein solcher Preßsitz zur
Verfügung
gestellt wird, daß der Außendurchmesser
des Ventilsitzes einige Mikrometer größer ist als der Innendurchmesser
des Ventilkörpers,
wodurch der Ventilsitz im Preßsitz
in den Innendurchmesser des Ventilkörpers bei einem Unterschied
der Durchmesser von einigen Mikrometer eingedrückt wird.
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Bei
dem Kraftstoffeinspritzventil für
Zylindereinspritzung gemäß der vorliegenden
Erfindung können
die Abdichteigenschaften des Nadelventils verbessert werden, da
der Innendurchmesser einer Wirbelerzeugungsvorrichtung und der Außendurchmesser
des Nadelventils nicht in Berührung
stehen, wenn sich das Nadelventil auf dem Ventilsitz befindet.
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Bei
dem Kraftstoffeinspritzventil für
Zylindereinspritzung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Neigung des Nadelventils kontrolliert
werden, und der Betrieb des Nadelventils glatt ablaufen, da der
Innendurchmesser einer Wirbelerzeugungsvorrichtung und der Außendurchmesser
des Nadelventils dieses führen,
wenn sich das Nadelventil im geöffneten
Zustand befindet.
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Offensichtlich
lassen sich auf der Grundlage der voranstehend geschilderten technischen
Lehren verschiedene Modifikationen und Abänderungen der vorliegenden
Erfindung durchführen.
Die Erfindung kann daher auch anders ausgeführt werden, als dies im einzelnen
voranstehend geschildert wurde; Wesen und Umfang der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen
und sollen von den beigefügten
Patentansprüchen
umfaßt
sein.