DE19960340A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere ein Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfaßt einen vorzugsweise scheibenförmigen Ventilschließkörper (8), der mit einem Abschlußkörper (10) einen Dichtsitz bildet. Das Brennstoffeinspritzventil (1) wird mittels eines Elektromotors (2) durch Verdrehen des Ventilschließkörpers (8) geöffnet und geschlossen.

Description

Stand der Technik

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

Brennstoffeinspritzventile zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine werden gewöhnlich entweder elektromagnetisch oder durch einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor betätigt.

Beispielsweise ist aus der DE 196 26 576 A1 ein elektromagnetisch betätigbares Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei welchem zur elektromagnetischen Betätigung ein Anker mit einer elektrisch erregbaren Magnetspule zusammenwirkt und der Hub des Ankers über eine Ventilnadel auf einen Ventilschließkörper übertragen wird. Der Ventilschließkörper wirkt mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammen. Die Rückstellung der Ventilnadel und des Ventilschließkörpers erfolgt durch eine Rückstellfeder.

Zur Betätigung des Brennstoffeinspritzventils wird ein Erregerstrom an die Magnetspule angelegt, wodurch der Anker in die Magnetspule hineingezogen wird und das Brennstoffeinspritzventil durch das Abheben des Ventilschließkörpers von der Ventilsitzfläche geöffnet wird.

Nachteilig an dem aus der DE 196 26 576 A1 bekannten Brennstoffeinspritzventil sind insbesondere die relativ langen Schließzeiten. Verzögerungen beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils werden durch die zwischen Anker und Magnetspulen-Kern wirkenden Adhäsionskräfte und den nicht instantan erfolgenden Abbau des Magnetfeldes beim Ausschalten des Erregerstroms hervorgerufen. Deshalb muß die Rückstellfeder eine große Federkonstante bzw. eine große Vorspannung aufweisen. Die Rückstellkraft muß zur Erreichung kurzer Schließzeiten wesentlich größer dimensioniert werden, als es zum Dichten gegen den Brennraumdruck erforderlich wäre. Dies bedingt einen großen Leistungsbedarf der elektronischen Ansteuerschaltung.

Aus der DE 195 34 445 C2 ist ein Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen bekannt, welches durch einen piezoelektrischen Aktor betätigbar ist. Das Brennstoffeinspritzventil umfaßt eine in einem Gehäusekörper axial bewegliche Ventilnadel, welche durch einen piezoelektrischen Aktor betätigbar ist und durch eine Druckfeder in Schließstellung gehalten wird. Der Gehäusekörper weist eine Zentralbohrung auf, in welcher der piezoelektrische Aktor angeordnet ist, so daß der Aktor wiederum die Ventilnadel konzentrisch umgibt und mittels Dichtflächen gegen den Brennstoffdruck abgedichtet ist.

Zur Betätigung des Brennstoffeinspritzventils wird eine elektrische Spannung an den piezoelektrischen Aktor angelegt, welcher dadurch eine Längenänderung erfährt, welche über die Ventilnadel auf den Ventilschließkörper übertragen wird und dadurch das Brennstoffeinspritzventil öffnet.

Nachteilig an dem aus der DE 195 34 445 C2 bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere der hohe Fertigungsaufwand. Piezoelektrische Aktoren zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit gegen Scherkräfte aus, so daß die Herstellung und Montage dieser Bauteile aufwendig und teuer ist.

Nachteilig an piezoelektrisch oder elektromagnetisch betätigbaren Brennstoffeinspritzventilen ist zudem die hohe Geräuschentwicklung, welche durch das mechanische Anschlagen der Ventilnadel am Dichtsitz bzw. das Anschlagen des Ankers am Kern bedingt ist. Außerdem ist eine Hubeinstellung erforderlich.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Zumessung des Brennstoffes unabhängig von einer axialen Ventilnadelbewegung ist. Der Brennstoff wird vielmehr zugemessen, indem der Ventilschließkörper durch einen Elektromotor über den Abschlußkörper gedreht wird.

Die bekannten Verzögerungseffekte und die teilweise unpräzisen Zumeßmengen, welche durch die Trägheit der Ventilnadel, das Prellen der Ventilnadel am Dichtsitz bzw. des Ankers am Kern bedingt sind, entfallen dadurch. Ferner besteht nur eine geringe Geräuschentwicklung, und eine Hubeinstellung ist nicht erforderlich.

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

Der zur sicheren Winkeleinstellung des Ventilschließkörpers relativ zum Abschlußkörper benötigte Winkelgeber, welcher an einer Antriebswelle angeordnet ist, ist als einfaches z. B. induktives Bauteil ausführbar.

Durch die variable Größe und Anzahl der Abströmöffnungen kann der Ventilschließkörper in einfacher Weise an die an die zuzumessende Brennstoffmenge gestellten Anforderungen angepaßt werden. Eine weitere Einstellung der abgespritzten Brennstoffmenge ist über die Rotationsgeschwindigkeit möglich.

Der Ventilschließkörper ist vorteilhafterweise aus einer Eisen- und/oder Silizium- und/oder Kupfer-Beryllium- Legierung hergestellt, welche sehr hart ist und gute Reibeigenschaften aufweist, so daß der Abschlußkörper und der Ventilschließkörper nahezu abrieblos aufeinander gedreht werden können. Neben der Abströmöffnung ist in dem vorzugsweise scheibenförmigen Ventilschließkörper ferner vorteilhaft eine Aussparung zum Gewichtsausgleich vorgesehen.

Zeichnung

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

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils und

Fig. 2 den in Fig. 1 mit II-II bezeichneten Schnitt durch das abspritzseitige Ende des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt in einer axialen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1, welches insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine geeignet ist.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt als Betätigungsvorrichtung einen Elektromotor 2, der beispielsweise als Schrittmotor, Kurzschlußmotor, Wechselstrommotor oder frequenzgesteuerter Motor ausgeführt sein kann. Der Elektromotor 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Schrittmotor ausgebildet. Der Elektromotor 2 ist aus einem Permanentmagneten 22 als Rotor, welcher mehrere magnetische Pole aufweist, die symmetrisch um eine zentrale Bohrung 23 angeordnet sind und in ihrer Polarität abwechseln, und einer Wicklung 24 aufgebaut. Der Elektromotor 2 wird bei der Montage des Brennstoffeinspritzventils 1 als Fertigbauteil in ein hülsenförmiges Ventilgehäuse 3 eingebaut.

Der Elektromotor 2 treibt eine Antriebswelle 4 an, welche die zentrale Bohrung 23 des Elektromotors 2 durchgreift. Die Antriebswelle 4 ist in einer zentralen Ausnehmung 5 des Brennstoffeinspritzventils 1 angeordnet und wird durch Führungselemente 6a, 6b und 6c in zentraler Lage gehalten.

An ihrem abspritzseitigen Ende greift die Antriebswelle 4 in eine Mitnehmernut 7 eines vorzugsweise scheibenförmigen Ventilschließkörpers 8 ein. An ihrem zulaufseitigen Ende wird die Antriebswelle 4 durch eine Druckfeder 9 beaufschlagt, welche die Antriebswelle 4 und damit den Ventilschließkörper 8 in Anlage an einem als Spritzlochscheibe ausgebildeten Abschlußkörper 10, welcher das Ventilgehäuse 3 in Abspritzrichtung abschließt, hält. Die Druckfeder 9 wird durch eine Vorspannhülse 11, welche insbesondere in die zentrale Ausnehmung 5 des Brennstoffeinspritzventils 1 eingepreßt sein kann, vorgespannt.

Auf der Antriebswelle 4 ist stromabwärts des Elektromotors 2 ein Winkelgeber 21 angeordnet. Der Winkelgeber 21 dient dem präzisen Schalten zwischen verschiedenen Stellungen der Antriebswelle 4. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn der Elektromotor 2 nicht als Schrittmotor ausgebildet ist. Der Winkelgeber 21 ist dabei als Induktionssensor aus einem inneren Permanentmagneten 25 und einer äußeren Wicklung 26 aufgebaut und ebenfalls wie der Elektromotor 2 in der Ausnehmung 5 des Brennstoffeinspritzventils 1 angeordnet.

Der Brennstoff wird zentral über eine Brennstoffzufuhr 12 sowie Brennstoffkanäle 13a in der Vorspannhülse 11 zugeleitet. Er fließt weiter über Brennstoffkanäle 13b, 13c und 13d in den Führungselementen 6a, 6b und 6c durch die zentrale Ausnehmung 5 des Brennstoffeinspritzventils 1 zum Abschlußkörper 10. Der Brennstoff umströmt dabei den in der zentralen Ausnehmung 5 des Brennstoffeinspritzventils 1 angeordneten Elektromotor 2 und den Winkelgeber 21 an deren Außenseiten, wobei der Elektromotor 2 und der Winkelgeber 21 zweckmäßigerweise gegen den Brennstoff gekapselt sind, da die chemische Aggressivität des Brennstoffs sonst eventuell zu Beschädigungen der elektrischen Komponenten führen könnte. Der Brennstoff durchströmt zumindest eine Abströmöffnung 14 im Ventilschließkörper 8 sowie eine . Abspritzöffnung 15 im Abschlußkörper 10 und wird von dort direkt in den nicht dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Ein Einspritzen von Brennstoff in ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine ist mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil ebenso möglich.

Zum Betrieb des Elektromotors 2 weist das Brennstoffeinspritzventil 1 eine elektrische Leitung 16 auf, welche zu einem Steckkontakt 17 führt. Der Steckkontakt 17 kann einen weiteren Kontakt zur Kontaktierung des Winkelgebers 21 aufweisen, zu welchem eine elektrische Leitung 28 führt. Der Steckkontakt 17, die elektrische Leitung 16 und der zulaufseitige Teil des Brennstoffeinspritzventils 1 sind von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben, welche vorzugsweise durch Umspritzen aufgebracht werden kann. Das Brennstoffeinspritzventil 1 wird durch ein Dichtelement 27 abgedichtet.

Fig. 2 zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung einen radialen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1. Gleiche Bauteile sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.

Der Schnitt durch das Ventilgehäuse 3 auf Höhe des Ventilschließkörpers 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Abströmöffnung 14, die Mitnehmernut 7 sowie eine Aussparung 20 im Ventilschließkörper 8. Die z. B. kreissektorförmige Aussparung 20 sorgt durch einen Gewichtsausgleich für eine gleichmäßige plane Bewegung des Ventilschließkörpers 8 auf dem Abschlußkörper 10. Die Aussparung 20 ist nicht vollständig durch den scheibenförmigen Ventilschließkörper 8 hindurchgeführt, so daß durch die Aussparung 20 hindurch keine Brennstoffströmung erfolgt.

Der von der Zulaufseite zugeführte Brennstoff, welcher das Führungselement 6c durch die Brennstoffkanäle 13d durchströmt, tritt über die Abströmöffnung 14 durch den Ventilschließkörper 8 und wird über die im Abschlußkörper 10 eingebrachte Abspritzöffnung 15 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besitzt der Ventilschließkörper 8 eine Abströmöffnung 14 und entsprechend eine Aussparung 20 zum Gewichtsausgleich. Je nach den an die zuzumessende Brennstoffmenge gestellten Anforderungen können auch mehrere Abströmöffnungen 14 im Ventilschließkörper 8 vorhanden sein. Bei zwei Abströmöffnungen 14 kann die zweite Abströmöffnung 14 an Stelle der Aussparung 20 zum Gewichtsausgleich angebracht sein, drei und mehr Abströmöffnungen 14 werden entsprechend symmetrisch angeordnet.

Zur Betätigung des Brennstoffeinspritzventils 1 wird eine elektrische Betriebsspannung an den Steckkontakt 17 angelegt und dem Elektromotor 2 über die elektrische Leitung 16 zugeführt.

Zum Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 sind zwei Betriebsarten möglich. Bei Drehzahlen von über ca. 4.500 Umdrehungen pro Minute im sogenannten Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine wird das Brennstoffeinspritzventil 1 durch Rotation des Ventilschließkörpers 8 betrieben. Dies bedeutet, daß der Elektromotor 2 die Antriebswelle 4 ununterbrochen antreibt und dadurch der Ventilschließkörper 8 ebenfalls in ununterbrochene Rotation versetzt wird. Dadurch wird bei jeder Umdrehung des Ventilschließkörpers 8, wenn sich die Abströmöffnung 14 des Ventilschließkörpers 8 deckungsgleich über der Abspritzöffnung 15 des Abschlußkörpers 10 befindet, eine definierte Menge Brennstoff in den Brennraum eingespritzt. Die Brennstoffmenge ist damit von der Rotationsgeschwindigkeit des Ventilschließkörpers 8 sowie der Größe der Abströmöffnung 14 und der Abspritzöffnung 15 abhängig.

Soll eine kleinere Brennstoffmenge zugemessen werden, beispielsweise im Drehzahlbereich unter ca. 4.500 Umdrehungen pro Minute im Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine, wird das Brennstoffeinspritzventil 1 durch Hin- und Herdrehen betrieben. Dabei schaltet der Elektromotor 2 in einer der Drehzahl angepaßten Schaltfrequenz den Ventilschließkörper 8 zwischen zwei Stellungen hin und her. Auf diese Weise nimmt der Ventilschließkörper 8 entweder eine Offenstellung ein, bei der die Abströmöffnung 14 deckungsgleich über der Abspritzöffnung 15 liegt und Brennstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, oder eine Geschlossenstellung, in welcher sich die Abströmöffnung 14 des Ventilschließkörpers 8 und die Abspritzöffnung 15 des Abschlußkörpers 10 nicht decken und daher kein Brennstoff abströmen kann. Dadurch wird nur zu bestimmten Zeiten eine kleine Brennstoffmenge durch die Abströmöffnung 14 im Ventilschließkörper 8 und die Abspritzöffnung 15 im Abschlußkörper 10 geleitet. Dabei ist die zugemessene Brennstoffmenge nur von der Größe der Abströmöffnung 14 und der Abspritzöffnung 15 und der Schaltfrequenz abhängig. Wird die Anzahl der Abströmöffnungen 14 im Ventilschließkörper 8 beispielsweise verdoppelt, kann die Taktfrequenz bzw. Rotationsdrehzahl halbiert werden.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern auch bei einer Vielzahl von anderen Ausgestaltungen von Brennstoffeinspritzventilen 1 anwendbar.

Claims (13)

1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem Ventilschließkörper (8), der mit einem Abschlußkörper (10) einen Dichtsitz bildet, und einer Betätigungsvorrichtung zum Betätigen des Ventilschließkörpers (8), dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung ein Elektromotor (2) ist, der das Brennstoffeinspritzventil (1) durch Verdrehen des Ventilschließkörpers (8) öffnet und schließt.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschlußkörper (10) das Brennstoffeinspritzventil (1) in Abspritzrichtung abschließt und mindestens eine Abspritzöffnung (15) aufweist.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (2) in einer zentralen Ausnehmung (5) des Brennstoffeinspritzventils (1) angeordnet ist.

4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebswelle (4) den Elektromotor (2) kraftschlüssig mit dem Ventilschließkörper (8) verbindet.

5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (4) an ihrem zulaufseitigen Ende von einer Druckfeder (9) beaufschlagt ist.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließkörper (8) scheibenförmig ausgebildet ist und eine zentrale Mitnehmernut (7) aufweist, in welche die Antriebswelle (4) an ihrem abspritzseitigen Ende eingreift.

7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließkörper (8) zumindest eine Abströmöffnung (14) und zumindest eine geschlossene Aussparung (20) zum Gewichtsausgleich aufweist.

8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abströmöffnung (14) und die Aussparung (20) bezüglich der zentralen Mitnehmernut (7) diametral gegenüberliegend im Ventilschließkörper (8) angeordnet sind.

9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Antriebswelle (4) des Brennstoffeinspritzventils (1) ein Winkelgeber (21) angeordnet ist.

10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (4) den Winkelgeber (21) zentral durchgreift.

11. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelgeber (21) ein induktiver Winkelgeber (21) ist und eine Wicklung (26) aufweist.

12. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließkörper (8) aus einer Eisen- und/oder Silizium- und/oder Kupfer-Beryllium-Legierung hergestellt ist.

13. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (2) als Schrittmotor ausgeführt ist.