DE19935262A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil mit einem Brennstoffeinlass, mit einer erregbaren Betätigungseinrichtung, durch die ein Ventilschließglied (28) bewegbar ist, das zum Öffnen und Schließen des Ventils mit einem an einem Ventilsitzelement (26) ausgebildeten Ventilsitz (27) zusammenwirkt, mit einem das Ventilsitzelement (26) aufnehmenden Anschlussteil (21), und mit einem stromabwärts des Ventilsitzes (27) vorgesehenen Brennstoffauslass (32). Das Ventilsitzelement (26) besteht wegen der erforderlichen Härte aus einem martensitischen Eisenwerkstoff. Um eine Rissbildung beim Verbinden mit dem Anschlussteil (21) zu vermeiden, ist das Ventilsitzelement (26) indirekt über ein ringförmiges Verbindungsteil (52) mit dem Anschlussteil (21) verbunden. Das Verbindungsteil (52) besteht dabei aus einem austenitischen Eisenwerkstoff. DOLLAR A Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders für den Einsatz in Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1.

Aus der DE 197 36 682 A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das ein einen festen Ventilsitz aufweisendes Ventilsitzelement besitzt, mit dem ein Ventilschließglied zum Öffnen und Schließen des Ventils zusammenwirkt. Das Ventilsitzelement ist dabei mit einem es aufnehmenden Ventilsitzträger fest verbunden, wobei die feste Verbindung mit einer umlaufenden Schweißnaht erzielt wird. Wenn ein für Ventilsitze aufgrund seiner großen Härte bevorzugter martensitischer Eisenwerkstoff zum Einsatz kommt, besteht ein erhöhtes Risiko der Bildung von Rissen bei der Befestigung des Ventilsitzelements an dem Ventilsitzträger mittels einer oder mehrerer Schweißnähte.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Risiko einer Rissbildung im Verbindungsbereich des Ventilsitzelements und des es aufnehmenden Anschlussteils deutlich herabgesetzt ist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass ein austenitisches Verbindungsteil vorgesehen ist, das sowohl fest mit dem Ventilsitzelement als auch fest mit dem Anschlussteil verbunden ist, so dass das Ventilsitzelement und das Anschlussteil nur noch indirekt miteinander verbunden sind.

Die sich durch das austenitische Verbindungsteil ergebende Werkstoffkombination erlaubt eine sehr sichere Schweißverbindung des Ventilsitzelements am Anschlussteil über das Verbindungsteil mit einer erhöhten dynamischen Festigkeit und einer deutlich reduzierten Gefahr der Rissbildung.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich. Von Vorteil ist es, das Verbindungsteil an dem Ventilsitzelement durch Löten zu befestigen. Kostensparend kann das Einlöten in idealer Weise mit dem Härteprozess des Ventilsitzes kombiniert werden.

Besonders vorteilhaft ist es, am äußeren Umfang und an der unteren Stirnfläche des Ventilsitzelements eine umlaufende Ausnehmung vorzusehen, in der das ringförmige Verbindungsteil eingebracht ist.

In vorteilhafter Weise haben das Verbindungsteil und das Anschlussteil jeweils eine untere Stirnfläche, die axial zueinander versetzt sind. Eine solche Ausbildung hat den Vorteil, dass von dem gut schweißbaren Austenit des Verbindungsteils beim Erzielen einer Schweißverbindung in der Schmelze des Schweißbades ein Überschuss entsteht.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Brennstoffeinspritzventil in einem Längsschnitt und Fig. 2 den Führungs- und Sitzbereich in einem vergrößerten Maßstab.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in der Fig. 1 beispielsweise als ein Ausführungsbeispiel dargestellte elektromagnetisch betätigbare Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen hat einen von einer Magnetspule 1 zumindest teilweise umgebenen, als Innenpol eines Magnetkreises dienenden, rohrförmigen, weitgehend hohlzylindrischen Kern 2. Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders als Hochdruckeinspritzventil zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Ein beispielsweise gestufter Spulenkörper 3 aus Kunststoff nimmt eine Bewicklung der Magnetspule 1 auf und ermöglicht in Verbindung mit dem Kern 2 und einem ringförmigen, nichtmagnetischen, von der Magnetspule 1 teilweise umgebenen Zwischenteil 4 mit einem L-förmigen Querschnitt einen besonders kompakten und kurzen Aufbau des Einspritzventils im Bereich der Magnetspule 1.

In dem Kern 2 ist eine durchgängige Längsöffnung 7 vorgesehen, die sich entlang einer Ventillängsachse 8 erstreckt. Der Kern 2 des Magnetkreises dient auch als Brennstoffeinlassstutzen, wobei die Längsöffnung 7 einen Brennstoffzufuhrkanal darstellt. Mit dem Kern 2 oberhalb der Magnetspule 1 fest verbunden ist ein äußeres metallenes (z. B. ferritisches) Gehäuseteil 14, das als Außenpol bzw. äußeres Leitelement den Magnetkreis schließt und die Magnetspule 1 zumindest in Umfangsrichtung vollständig umgibt. In der Längsöffnung 7 des Kerns 2 ist zulaufseitig ein Brennstofffilter 15 vorgesehen, der für die Herausfiltrierung solcher Brennstoffbestandteile sorgt, die aufgrund ihrer Größe im Einspritzventil Verstopfungen oder Beschädigungen verursachen könnten. Der Brennstofffilter 15 ist z. B. durch Einpressen im Kern 2 fixiert.

Der Kern 2 bildet mit dem Gehäuseteil 14 das zulaufseitige Ende des Brennstoffeinspritzventils, wobei sich das obere Gehäuseteil 14 beispielsweise in axialer Richtung stromabwärts gesehen gerade noch über die Magnetspule 1 hinaus erstreckt. An das obere Gehäuseteil 14 schließt sich dicht und fest ein unteres rohrförmiges Gehäuseteil 18 an, das z. B. ein axial bewegliches Ventilteil bestehend aus einem Anker 19 und einer stangenförmigen Ventilnadel 20 bzw. einen langgestreckten Ventilsitzträger 21 umschließt bzw. aufnimmt. Die beiden Gehäuseteile 14 und 18 sind z. B. mit einer umlaufenden Schweißnaht fest miteinander verbunden.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind das untere Gehäuseteil 18 und der weitgehend rohrförmige Ventilsitzträger 21 durch Verschrauben fest miteinander verbunden; Schweißen, Löten oder Bördeln stellen aber ebenso mögliche Fügeverfahren dar. Die Abdichtung zwischen dem Gehäuseteil 18 und dem Ventilsitzträger 21 erfolgt z. B. mittels eines Dichtrings 22. Der Ventilsitzträger 21 besitzt über seine gesamte axiale Ausdehnung eine innere Durchgangsöffnung 24, die konzentrisch zu der Ventillängsachse 8 verläuft.

Mit seinem unteren Ende 25, das auch zugleich den stromabwärtigen Abschluss des gesamten Brennstoffeinspritzventils darstellt, umgibt der Ventilsitzträger 21 ein in der Durchgangsöffnung 24 eingepasstes scheibenförmiges Ventilsitzelement 26 mit einer sich stromabwärts kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 27. In der Durchgangsöffnung 24 ist die z. B. stangenförmige, einen weitgehend kreisförmigen Querschnitt aufweisende Ventilnadel 20 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende einen Ventilschließabschnitt 28 aufweist. Dieser beispielsweise kugelig oder teilweise kugelförmig bzw. abgerundet ausgebildete oder sich keglig verjüngende Ventilschließabschnitt 28 wirkt in bekannter Weise mit der im Ventilsitzelement 26 vorgesehenen Ventilsitzfläche 27 zusammen. Das axial bewegliche Ventilteil kann neben der dargestellten Ausführung mit Anker 19, Ventilnadel 20 und Ventilschließabschnitt 28 auch völlig anderweitig als axial beweglicher Ventilschließkörper, z. B. als Flachanker, ausgebildet sein. Stromabwärts der Ventilsitzfläche 27 ist im Ventilsitzelement 26 wenigstens eine Austrittsöffnung 32 für den Brennstoff eingebracht. Die Austrittsöffnung 32 verläuft bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 konzentrisch zur Ventillängsachse 8. Alternativ kann die Austrittsöffnung 32 z. B. auch schräg geneigt zur Ventillängsachse 8 verlaufen.

Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch. Ein Piezoaktor oder ein magnetostriktiver Aktor als erregbare Betätigungselemente sind jedoch ebenso denkbar. Ebenso ist eine Betätigung über einen gesteuert druckbelasteten Kolben denkbar. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 20 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer in der Längsöffnung 7 des Kerns 2 angeordneten Rückstellfeder 33 bzw. Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1, dem Kern 2, den Gehäuseteilen 14 und 18 und dem Anker 19. Der Anker 19 ist mit dem dem Ventilschließabschnitt 28 abgewandten Ende der Ventilnadel 20 z. B. durch eine Schweißnaht verbunden und auf den Kern 2 ausgerichtet. Zur Führung der Ventilnadel 20 während ihrer Axialbewegung mit dem Anker 19 entlang der Ventillängsachse 8 dient einerseits eine im Ventilsitzträger 21 am dem Anker 19 zugewandten Ende vorgesehene Führungsöffnung 34 und andererseits ein stromaufwärts des Ventilsitzelements 26 angeordnetes scheibenförmiges Führungselement 35 mit einer maßgenauen Führungsöffnung 55. Der Anker 19 ist während seiner Axialbewegung von dem Zwischenteil 4 umgeben.

Zwischen dem Führungselement 35 und dem Ventilsitzelement 26 ist ein weiteres scheibenförmiges Element, und zwar ein Drallelement 47 angeordnet, so dass alle drei Elemente 35, 47 und 26 unmittelbar aufeinanderliegen und im Ventilsitzträger 21 Aufnahme finden. Die drei scheibenförmigen Elemente 35, 47 und 26 sind z. B. stoffschlüssig mit mehreren über den Umfang verteilten Schweißpunkten bzw. -nähten 50 fest miteinander verbunden.

Eine in der Längsöffnung 7 des Kerns 2 eingeschobene, eingepresste oder eingeschraubte Einstellhülse 38 dient zur Einstellung der Federvorspannung der über ein Zentrierstück 39 mit ihrer stromaufwärtigen Seite an der Einstellhülse 38 anliegenden Rückstellfeder 33, die sich mit ihrer gegenüberliegenden Seite am Anker 19 abstützt. Im Anker 19 sind ein oder mehrere bohrungsähnliche Strömungskanäle 40 vorgesehen, durch die der Brennstoff von der Längsöffnung 7 im Kern 2 aus über stromabwärts der Strömungskanäle 40 ausgebildete Verbindungskanäle 41 nahe der Führungsöffnung 34 im Ventilsitzträger 21 bis in die Durchgangsöffnung 24 gelangen kann.

Der Hub der Ventilnadel 20 wird durch die Einbaulage des Ventilsitzelements 26 vorgegeben. Eine Endstellung der Ventilnadel 20 ist bei nicht erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ventilschließabschnitts 28 an der Ventilsitzfläche 27 des Ventilsitzelements 26 festgelegt, während sich die andere Endstellung der Ventilnadel 20 bei erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ankers 19 an der stromabwärtigen Stirnseite des Kerns 2 ergibt. Die Oberflächen der Bauteile im letztgenannten Anschlagbereich sind beispielsweise verchromt.

Die elektrische Kontaktierung der Magnetspule 1 und damit deren Erregung erfolgt über Kontaktelemente 43, die noch außerhalb des Spulenkörpers 3 mit einer Kunststoffumspritzung 44 versehen sind. Die Kunststoffumspritzung 44 kann sich auch über weitere Bauteile (z. B. Gehäuseteile 14 und 18) des Brennstoffeinspritzventils erstrecken. Aus der Kunststoffumspritzung 44 heraus verläuft ein elektrisches Anschlusskabel 45, über das die Bestromung der Magnetspule 1 erfolgt. Die Kunststoffumspritzung 44 ragt durch das in diesem Bereich unterbrochene obere Gehäuseteil 14.

Fig. 2 zeigt den Führungs- und Sitzbereich des Ventils gemäß Fig. 1 in einem vergrößerten Maßstab. Das Ventilsitzelement 26 besteht aus einem martensitischen Werkstoff, z. B. einem Cr-Stahl mit ca. 1% Kohlenstoff. Ein solcher Werkstoff eignet sich besonders für das Ventilsitzelement 26, weil er eine relativ hohe Härte aufweist, was aus Verschleißgründen insbesondere an der Ventilsitzfläche 27 von Vorteil ist. Bei Martensit als Gefügeart in einem Eisenwerkstoff handelt es sich um ein Ferrit mit mehr Kohlenstoff, als es dem Gleichgewichtszustand entspricht. Bedingt wird dies durch diffusionslose Umklappvorgänge bei der Entstehung aus dem Austenit. Nachteilig bei einem solchen martensitischen Werkstoff ist jedoch das erhöhte Risiko der Bildung von Rissen bei der Befestigung des Ventilsitzelements 26 an einem das Ventilsitzelement 26 aufnehmenden Anschlussteil, wie z. B. dem Ventilsitzträger 21, die üblicherweise mittels einer oder mehrerer Schweißnähte erfolgt.

Um dieser Rissbildung vorzubeugen, ist das Ventilsitzelement 26 mit einem austenitischen Verbindungsteil 52 fest verbunden. Das Verbindungsteil 52 ist beispielsweise ringförmig ausgeführt. An seiner unteren, der Ventilsitzfläche 27 abgewandten Stirnfläche 53 weist das Ventilsitzelement 26 am äußeren Umfang eine Ausnehmung 54 auf, die um 360° umläuft. In diese Ausnehmung 54 wird das Verbindungsteil 52 eingesetzt. Das Verbindungsteil 52 besitzt einen weitgehend quadratischen bzw. rechteckförmigen Querschnitt, wobei die Eckbereiche abgeflacht sein können, wie Fig. 2 zeigt. Auf jeden Fall weist das Verbindungsteil 52 umlaufende Bereiche auf, mit denen es an der Wandung der Ausnehmung 54 anliegt. Eine feste und dichte Verbindung von Ventilsitzelement 26 und Verbindungsteil 52 wird z. B. durch Löten erzielt.

Die eigentliche Befestigung des Ventilsitzelements 26 an dem z. B. einen Teil des Ventilgehäuses bildenden Anschlussteil, hier dem Ventilsitzträger 21, erfolgt im Bereich des Verbindungsteils 52. Die feste und dichte Verbindung von Verbindungsteil 52 und Ventilsitzträger 21 wird durch eine umlaufende Schweißnaht 56 erzielt, die z. B. mittels eines Lasers ringförmig an der Unterseite des Ventils gesetzt wird. Das Verbindungsteil 52 wird beispielsweise dermaßen in die Ausnehmung 54 eingepasst, dass die unteren Stirnflächen 53, 53' von Ventilsitzelement 26 und Verbindungsteil 52 bündig abschließen. Im unverschweißten Zustand ist der Führungs- und Sitzblock bestehend aus den Elementen 35, 47 und 26 so weit in dem Ventilsitzträger 21 eingebracht, dass die untere Stirnfläche 53 des Ventilsitzelements 26 und damit auch die untere. Stirnfläche 53' des Verbindungsteils 52 stromabwärts über eine untere Stirnfläche 58 des Ventilsitzträgers 21 überstehen. Der axiale Abstand x zwischen den Stirnflächen 53' und 58 beträgt ca. 0,2 bis 0,5 mm. Eine solche Ausbildung hat den Vorteil, dass von dem gut schweißbaren Austenit des Verbindungsteils 52 in der Schmelze des Schweißbades ein Überschuss entsteht.

Die sich durch das austenitische Verbindungsteil 52 ergebende Werkstoffkombination erlaubt eine sehr sichere Schweißverbindung des Ventilsitzelements 26 im Ventilsitzträger 21 indirekt über das Verbindungsteil 52 mit einer erhöhten dynamischen Festigkeit und einer deutlich reduzierten Gefahr der Rissbildung. Das Einlöten des Verbindungsteils 52 in die Ausnehmung 54 des Ventilsitzelements 26 kann kostensparend mit dem Härteprozess des Ventilsitzes 26, 27 kombiniert werden.

Claims (9)

1. Brennstoffeinspritzventil mit einem Brennstoffeinlass (2), mit einer erregbaren Betätigungseinrichtung (1, 2, 19), durch die ein Ventilschließglied (28) bewegbar ist, das zum Öffnen und Schließen des Ventils mit einem an einem Ventilsitzelement (26) ausgebildeten Ventilsitz (27) zusammenwirkt, mit einem das Ventilsitzelement (26) aufnehmenden Anschlussteil (21), und mit einem stromabwärts des Ventilsitzes (27) vorgesehenen Brennstoffauslass (32), dadurch gekennzeichnet, dass ein sowohl fest mit dem Ventilsitzelement (26) als auch fest mit dem Anschlussteil (21) verbundenes Verbindungsteil (52) vorgesehen ist, wobei das Ventilsitzelement (26) aus einem martensitischen Eisenwerkstoff und das Verbindungsteil (52) aus einem austenitischen Eisenwerkstoff besteht.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil (52) ringförmig ausgebildet ist.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Umfang des Ventilsitzelements (26) eine Ausnehmung (54) ausgebildet ist, die um 360° umläuft und in die das Verbindungsteil (52) einsetzbar ist.

4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil (52) einen weitgehend quadratischen bzw. rechteckförmigen Querschnitt besitzt.

5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Verbindung von Ventilsitzelement (26) und Verbindungsteil (52) mittels Löten erzielbar ist.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Verbindung von Verbindungsteil (52) und Anschlussteil (21) mittels Schweißen erzielbar ist.

7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine ringförmig umlaufende Schweißnaht (56) mittels eines Lasers als feste Verbindung von Verbindungsteil (52) und Anschlussteil (21) erzeugbar ist.

8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil (52) eine untere Stirnfläche (53') und das Anschlussteil (21) eine untere Stirnfläche (58) haben und beide Stirnflächen (53', 58) axial versetzt zueinander sind.

9. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (56) im Bereich der beiden Stirnflächen (53', 58) angebracht ist und der axiale Abstand (x) zwischen den Stirnflächen (53', 58) vor dem Schweißen ca. 0,2 bis 0,5 mm beträgt.