DE2943155A1

DE2943155A1 - Elektronisches kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE2943155A1
Application number: DE19792943155
Authority: DE
Inventors: Albert Blatter; Gary Lee Casey; William Benjamin Claxton; John Allen Miller
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1978-11-01
Filing date: 1979-10-25
Publication date: 1980-05-14
Also published as: IT7926863A0; JPS5566656A; US4232830A; DE2943155C2; JPS6257826B2; GB2035450B; FR2440477A1; IT1124801B; CA1119066A; FR2440477B1; GB2035450A

Description

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Elektroniaches Kraftstoffeinspritzventil

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektromagnetische Einspritzventile und ist insbesondere auf ein schnell arbeitendes Einpunkt-Einspritzventil mit hoher Durchflußmenge gerichtet.

Elektromagnetische Kraftstoffeinspritzventile haben bei der Kraftstoffdosierung sowohl für Mehrpunkt- als auch Einpunktsysterne, bei denen ein elektronisches Steuersystem ein Impulssignal erzeugt, dessen Länge für die Kraftstoffmenge repräsentativ ist, mit der ein Verbrennungsmotor dosiert werden soll, weite Verbreitung gefunden. Diese Einspritzventile bewirken das Öffnen von Kraftstoffdosieröffnungen, die zu den Luftzufuhrbahnen des Motors führen, mittels eines Solenoidbetätigten Ankers, der in Ansprache auf das elektrnische Signal verschoben wird. Aufgrund von neueren Entwicklungen sind diese Einspritzventile in ihren Dosiereigenschaften sehr genau, und sie arbeiten sehr schnell. Diese Vorteile des elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventiles stellen einen Teil der Gesamtvorteile der elektronischen Kraftstoffdosierung dar, durch die die Wirtschaftlichkeit, die Abgasentwicklung und die Laufeigenschaften von Verbrennungsmotoren verbessert werden.

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Derartige elektromagnetische Einspritzventile sind Jedoch in der Herstellung relativ teuer, da sie einen Präzisionsdosierteil aufweisen, der in sorgfältiger Weise an einen Magnetmotorschaltkreis und danach an eine elektrische Steuereinrichtung angeschlossen werden muß, wobei diese Teile alle in einem einzigen Ventilkörper angeordnet sind. Damit das Ventil ein optimales Betriebeverhalten aufweist, müssen diese Teile alle exakt zusammenarbeiten, und sie sollten •inen minimalen Raum einnehmen* Bei Einpunkt-Dosieranordnungen, bei denen das Einspritzventil über der Drosselklappe angeordnet ist, ist es von Bedeutung, daß die Ventilanordnung nicht den Luftstrom in die Luftzutrittsbohrung störend beeinflußt.

Der Aufwand für die Herstellung des Ventilkörper· stellt einen Teil des Gesamtaufwandes für die Herstellung eines Einspritzventils dar. Normalerweise wird der Ventilkörper aus einem

zylinrischen Metallrohling durch eine Vielzahl von automatischen Bearbeitungsschritten hergestellt. Die gebräuchliste Ausbildung besteht in einer Vielzahl von unterschiedlich abgestuften Bohrungen, die bis auf enge Toleranzen bearbeitet sind und Schultern an den jeweiligen Stufen bilden, wobei die Bohrungen koaxial zueinander verlaufen. Ein derartiger Ventilkörper 1st in der US-PS 3 967 597 offenbart. Die engen Toleranzen der Bohrungen im Vergleich zu den anderen Teilen warden zur präzisen Lagerung von anderen Teilen des Einspritzventil·, beispielsweise dem Ventilschließabschnitt, in bezug auf den

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sich bewegenden Abschnitt des Ventils, der den Anker und Stator enthält, nutzbar gemacht.

Normalerweise sind alle Bohrungen koaxial angeordnet, da sich die Strömungsbahn des Kraftstoffes mittig durch das Ventil erstreckt und da das Nadelventil gegen einen konischen Sitz vorgespannt ist und somit um den Sitz herum einen gleichen Umfangsdichtungsdruck aufweisen sollte. Die Genauigkeit der Tiefe der mehrstufigen Bohrungen, ihre koaxiale Lage zueinander und ihre Anzahl machen es normalerweise erforderlich, daß der Ventilkörper während der Bearbeitung mehr als einmal eingespannt oder aufs neue montiert werden muß, wodurch die Herstellungskosten ansteigen. Es wäre daher ein Einspritzventil wünschenswert, das aus Teilen hergestellt werden könnte, die nur einen einzigen Bearbeitungsschritt erforderlich machen, oder bei dem Teile entfernt sind, die mehrere Bearbeitungevorgänge erfordern.

Die statischen und dynamischen Kraftstoffdurchflußeigenschaften sind für den Betrieb des Einspritzventils von Bedeutung und werden von einer Anzahl von unterschiedlichen Parametern gesteuert. Bei einem elektromagnetischen Ventil müssen die öffnungs- und Schließzeiten auf einem Minimum, jedoch relativ sicher und reproduzierbar gehalten werden, um ein schnell arbeitendes Ventil mit einem beständigen dynamischen Kraftstoff fluß bereitzustellen. Ein Faktor, der die Öffnungs-

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und SchlleBzelten des Einspritzventils direkt beeinflußt, ist die Schließkraft, die die Ventilfeder auf das Nadelventil aufbringt. Die Größe des Federkruckea ist von dem Betrag, um den die Feder zusammengedrückt wird, linear abhängig, d.h. es besteht die Beziehung F - K . x, wobei χ die Kornpressionslänge ist. Je größer die Schließkraft ist, desto größer ist dia Öffnungszeit des Ventile und desto schneller schließt sich das Ventil.

Eine andere Bezugsgröße ist die Entfernung, über die die Magnetkraft auf den Anker einwirkt, und so-mit die Strecke, um die das Nadelventil vom Ventilsitz angehoben wird, d.h. die Hubhöhe des Ventile. Je größer die Hubhöhe oder je größer der Luftspalt ist, desto langsamer öffnet sich das Ventil. Andererseits sollte jedoch ein minimaler Luftspalt aufrechterhalten werden, um ein Zusammenbrechen des Magnetfeldes bei Unterbrechung der Stromzuführung zu ermöglichen. Wenn dieser minimale Spalt im Betrieb des Ventiles nicht aufrechterhalten wird, bleibt der Anker am Stator haften, wodurch die Schließzeit de· Ventile beeinflußt wird.

Bei vielen Ventilen des Standes der Technik ist die Hubhöhe größer gewählt als diejenige, die ein⁶Drosselung des statischen Kraftatoffflusses bewirken würde. Folglich ist die Größe der Oosieröffnung der einzige Faktor, der zur Steuerung der Ourchflußraenge herangezogen werden kann, wenn das Ventil geöffnet ist. Dies ist keine optimale Kon%ruktion, da die

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Hubhöhe größer als erforderlich ist und somit die Öffnungszeit des Ventils beeinflußt und da kein abschätzbarer Steuerparameter zur Regulierung der statischen Durchflußmenge verwendet wird.

In der vorstehend erwähnten US-PS 3 967 597 wird die Hubhöhe des Ventils durch einen Distanzkragen gesteuert, der gegen eine präzise bearbeitete Distanzscheibe festgelegter Dicke stößt. Die Druckkraft der Feder wird nach dem Zusammenbau des Ventils durch eine Axialbewegung des Kernelementes eingestellt, das danach verstiftet wird, um den Druck konstant zu halten. Bei diesem Ventil ist die Hubhöhe strukturell festgelegt, und folglich wird der Federdruck während des Zusammenbaue auf einen festgelegten Wert eingestellt und fixiert. Die Hubhöhe besitzt einen solchen Wert, daß der statische Kraftstofffluß nur über die Größe der Dosieröffnung gesteuert wird. Wenn diese Ventile einen statischen Kraftstoffluß außerhalb des Toleranzbereiches aufweisen, müssen sie demontiert und ihre Dosieröffnungen neu gebohrt werden.

Da die statische Kraftstoffdosierung und die Geschwindigkeit des Ventilbetriebes sehr stark von den beiden Faktoren Hubhöhe und Schließkraft abhängig sind, würde es höchst wünschenswert sein, wenn diese Faktoren unabhängig voneinander eingestellt werden könnten, so daß sie sich zueinander ergänzen. Es würde desweiteren von Vorteil sein, wenn diese Eigenschaften

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des elektromagnetischen Einspritzventil nach dem Zusammenbau eingestellt werden könnten, damit Jede Ventileigenschaft genau abgestimmt werden kann.

Andere Beeinflussungen der Betriebsgeschwindigkeit und der reproduzierbaren Öffnungs- und Schließzeiten des elektromagnetischen Einspritzventile sind auf die exzentrischen Belastungen zurückzuführen, die von der Schließfeder ausgehen, wodurch das Nadelventil durch eine Kraftkomponente oder eine Vielzahl von Kraftkomponenten, die nicht koaxial zur Sprühachae wirken, beaufschlagt wird. Dadurch wird ein Verschleiß der Lagerflächen, die die Nadel koaxial zur Sprühachse halten, und der Reibungsstellen verursacht, wodurch das Ventil eine ungleichmäßige Verschiebung erfährt, wenn es sich im Ventilgehäuse bewegt. FQr diese exzentrischen Belastungen ist in erster Linie der lange Hebelarm verantwortlich, über den die Schließfeder wirkt. Die Schließkraft wird normalerweise auf den Anker an dem Punkt des Nadelventils aufgebracht, der von dem Ventilsitz, der als Gelenkpunkt wirkt, am weitesten entfernt ist. Axial versetzte Kräfte werden durch den Hebelarm vergrößert und müssen durch die Nadelventillagerflächen absorbiert und ausgeglichen werden.

Auf die Schließfeder einwirkende Torsions- oder Verwindungedrücke bewirken ebenfalls eine Änderung der gegen das Nadelventil wirkenden Kraft. Falls dies möglich ist, sollte während

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der Einstellung des Federdruckes ein Verwinden der Feder oder die Erzeugung einer Torsionskomponente in bezug auf die

Schliekraft vermieden werden, und es sollte auf die Schließfeder nur ein im wesentlichen koaxialer Druck aufgebracht werden.

Ein anderes Problem, das bei elektromagnetischen Einpunkt-Einspritzventilen mit Kraftstoffeinlassen, die im wesentlichen am Ventilende angeordnet sind, aufgetreten ist, besteht darin, daß Kraftstoff durch die Führungsbohrung des Ankers und in den Luftspalt zwischen dem Kernelement und dem Anker heraufgezogen wird, wenn zwischen diesen Teile eine Bewegung auftritt. Da die Führungsbohrung und der Anker relativ wenig Spiel aufweisen, um die Nadel koaxial zu halten, baut der Kraftstoff, der in den Luftspalt eingedrungen ist, aufgrund der Pumpwirkung des Ankers gegen den Kern einen Druck auf. Dieses Phänomen des ansteigenden hydraulischen Druckes an der Grenzfläche der Bewegung bewirkt ein Ansteigen der Öffnungszeit des Ventils. Bei einem derartigen Typ eines Einpunkt-Einspritzventils wäre es daher höchst wünschenswert, eine Einrichtung zum Abbau dieses Druckes vorzusehen, so daß keine schädlichen Auswirkungen auf den dynamischen Betrieb des Ventils verbleiben.

Um diese Nachteile der Einspritzventile des Standes der Technik zu vermeiden, schlägt die Erfindung ein elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil vor, das ein Einspritz-

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gehäuse aufweist, in dem eine Spule angeordnet iet, Einrichtungen zur Herateilung einer elektrischen Verbindung der Spule mit einer Quelle eines Einspritzsignales, eine Ventilanordnung mit einem Ventilgehäuse, das an dem Einspritzgehäuse befestigt ist, und eine Ventilnadel, die innerhalb einer mittig in dem Ventilgehäuse angeordneten Bohrung hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei die Bohrung in einer DoaierÖffnung endet und die Ventilnadel an einem Anker befestigt ist, der auf das von der Spule erzeugte Magnetfeld anspricht, wenn die Spule mit dem Signal angesteuert wird, um die Ventilnadel zu bewegen und eine Kraftatoffdurchfluß bahn zwischen der Ventilgehäusebohrung und der Dosieräffnung

ist, zu öffnen, das dadurch gekennzeichnet/ daß das Einspritzgehäusa einen rohrförmigen Einspritzkörper umfaßt, der zwischen seinen Enden eine Innenkammer bildet und mit einer mit einer mittigen Bohrung versehenen vorderen Endkappe, die an einem Ende befestigt ist, und einer mit einer mittigen Bohrung versehenen hinteren Endkappe, die an dem anderen Ende befestigt ist, ausgestattet ist, daß ein Spulenkörper mit der Spule versehen ist, der in der Innenkammer zwischen den Endkappen angeordnet ist und eine Längebohrung aufweist, die im wesentlichen mit der mittigen Bohrung einer Jeden Endkappe ausgerichtet ist, wobei die Bohrung der vorderen Endkappe eine einzige Stufe aufweist, die eine Schulter bildet, die die Bohrung in eine Montagebohrung und eine Ankerführungsbohrung unterteilt, daß das Ventilgehäuse in der Montagebohrung angeordnet ist und gegen die Schulter stößt, daß

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die Ventilnadel sich in die Ankerführungsbohrung erstreckt, in der sie am Anker befestigt ist, daß die Ventilanordnung erste Einrichtungen zur Zuführung von Kraftstoff von einer Druckquelle zur Ventilgehäusebohrung umfaßt und daß das Kraftstoffeinspritzventil ein Kernelement aufweist, das durch die hintere Endkappenbohrung montiert ist und sich in die Spulenkörperbohrung in Richtung auf den Anker erstreckt, wobei das Kernelement und der Anker durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind, und daß eine unter Druck stehende Schließfeder eine Kraft auf die Ventilnadel ausübt, um ein Schließen der Kraftstoffdurchflußbahn zwischen der Ventilgehäusebohrung und der Doseiröffnung zu bewirken, wobei die Spule, wenn sie mit dem Signal angesteuert wird, ein· Magnetkraft erzeugt, die auf den Anker über den Luftspalt einwikrt und die die Kraft der Schließfeder übersteigt, um die Dosieröffnung durch Anheben des Ankers und der Ventilnadel bis zu einem Punkt, wo der Anker gegen das Kernelement stößt, zu öffnen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen t

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Figur 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Einpunkteinspritzsystems, das mit einem erfindungegemäß ausgebildeten schnell wirkenden elektromagnetischen Einspritzventil mit hoher Durchflußgeschwindigkeit versehen ist;

Figur 2 einen Längsschnitt durch das in Figur 1 dargestellte elektromagnetische Einspritzventil;

Figur 3 einen Querschnitt durch das Einspritzventilgehäuse des in Figur 2 gezeigten Einspritzventils entlang der Linie 3-3 in Figur 2;

Figur 4 eine graphische Darstellung des Kraftstoffflusses durch das in Figur 2 gezeigte Ventil als Funktion der Anhebung der Ventilnadel; und

Figur 5 eine graphische Darstellung des dynamischen Kraftstoffflusses durch das in Figur 2 gezeigte Ventil als Funktion der Einspritzsignaldauer.

In Figur 1 ist ein Einpunkt-Einspritzsystem zur Kraftstoffdosierung für einen Verbrennungsmotor dargestellt. Das System umfaßt ein elektromagnetisches Einspritzventil 10, das von einem Verbindungsglied 12 über eine Reihe von Leitern 14, 16 an eine Steuereinheit 18 elektrisch angeschlossen ist. In

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die Steuereinheit 18 werden verschiedene Betriebsparameter des Motors eingegeben, wie beispielsweise die Drehzahl des Motors, der Absolutdruck im Ansaugkrümmer, die Temperatur der verbrauchten Luft und die Kühlmitteltemperatur des Motors, was über übliche Sensoren geschieht.

Das Einspritzventil 10 ist in eine Kraftstoffeinspritzhülse 22 eingepaßt, die in einer einzigen Luftansaugöffnung 34 eines Drosselkörpers 25 angeordnet ist, der mit einem Ansaugkrümmer 42 des Verbrennungsmotors in Verbindung steht. Für Drosselkörper mit mehreren Luftansaugbohrungen kann ein Einspritzventil pro Bohrung eingesetzt werden. Die Luftzufuhr für den Motor wird von einer Drosselklappe 30 geregelt, die unterhalb der Hülse 22 drehbar gelagert ist. Nach dem Abtasten der Betriebseigenschaften des Motors gibt die Steuereinheit elektronische Impulslängen-Einspritzsignale an das Verbindungsglied 12 ab, die für die für den Einspritzvorgang gewünschte Kraftstaffmenge repräsentativ sind, so daß sich das Einspritzventil 10 in Abhängigkeit von der vorderen und hinteren Flanke des Signales öffnet und schließt, um Kraftstoff von der Einspritzhülse 22 zu dosieren. Der Kraftstoff wird in einem Weitwinkel-Sprühmuster abgegeben, um eine optimale Mischung mit der einströmenden Luft und eine optimale Abgabe in den Aneaugkrümmer zu erreichen.

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Unter Oruck stehender Kraftstoff wird der Einspritzhülse 22 durch einen Kraftstoffeinlaß 20 zugeführt. Der Kraftstoff zirkuliert durch das Innere der Einspritzhülse und danach zu einem Auslaßkanal 24, der zu einem Druckregler 40 führt, der einen im wesentlichen konstanten Kraftstoffdruck aufrechterhält. Verbrauchter Kraftstoff wird zu einem Speicher, beispielsweise einem Kraftstofftank, zurückgeführt, von wo er zu der Hülse 22 zurückgepumpt werden kann. Das Einpritzventil ist in der Hülse über geeignete elastische Einrichtungen abgedichtet, beispielsweise über einen O-Ring 28 am unteren Ende der Hülse und einem O-Ring 26, der sich gegen eine Schulter am oberen Ende der Hülse lehnt. Das Einspritzventil 10 wird durch eine Federklemme 36, die durch eine Schraube 3Θ fixiert ist, in seiner Position gehalten.

Ein derartiges Einpunkt-Kraftstoffeinspritzsystem ist besonders für einen 2,2 Liter-Motor mit vier Zylindern geeignet. Indem zweimal pro Umdrehung eingespritzt wird, wird eine Luft/Kraftstoff-Füllung für jede Zylinderzündung abgegeben. Der Einspritzvorgang findet vorzugsweise unter einem eingestellten Winkel in bezug auf einen Fixpunkt des Motors statt, beispielsweise unmittelbar vor dem oberen Totpunkt des ersten Zylinders beim Ansaughub und danach unter zyklischer Bezugnahme auf diesen Punkt. Die Abstimmung der Einspritzung, so daß diese un-mittelbar vor dem Öffnen eines speziellen Einlaßventils stattfindet, macht es möglich, daß ein großer Teil der zu dem Jeweiligen Zylinder zu fördernden Kraftstoff-Luft-Dosierung eingespritzt

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wird. Dadurch wird die auftretende Kondensation verringert, und es wird dazu beigetragen, V/erteilungsunterschiede von Zylinder zu Zylinder zu vermeiden.

Um eine Einspritzung bei einem System wie dem oben beschriebenen durchzuführen, ist ein Einpunkt-Einspritzventil mit einer

3 hohen Kraftstoffdurchflußmenge von 400-600 cm /min und mit

eine dynamischen Charakteristik, die in den Ein-Millisekunden-Bereich linear verläuft, erforderlich. Die Erfindung stellt ein derartiges elektromagnetisches Einspritzventil 10 mit einer vorteilhaften Konstruktion zur Verfugung.

In den Figuren 2 und 3 ist das Einspritzventil 10 mit großem Durchfluß im Schnitt gezeigt. Das Ventil umfaßt ein Gehäuse, das einen rohrförmigen Hauptteil 100 aufweist, der aus einem mit einer Naht versehenen Rohr oder einem nahtlosen Rohr, das in einzelne Längen geschnitten ist, hergestellt sein kann. Der Hauptteil 100 ist an jedem Ende kalt verformt, so daß eine Schulter 101 mit einem radial versetzten Randabschnitt 102 am vorderen Ende und eine Schulter 103 mit einem anderen radial versetzten Randabschnitt 104 am rückwärtigen Ende gebildet werden. Da der rohrförmige Hauptteil 100 einen Teil des Magnetkreises des Einspritzventils darstellt, handelt es sich bei dem verwendeten Material um Röhren aus niedrig gekohltem Stahl. Dieses Material weist eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und eine hohe Permeabilität auf. Der Hauptteil 10

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sowie alle anderen Außenflächen des Einspritzventiles 10 können durch übliche Verfahren behandelt sein, um sie gegenüber Umwelteinflüssen zu schützen und korrosionswiderstandsfähig zu machen.

Das Ventilgehäuse umfaßt desweiteren eine vordere Endkappe und eine hintere Endkappe 110. Die vordere Endkappe 106 ist mit einem zylindrischen Körper mit einer mittleren Bohrung versehen, der einen Flansch aufweist, der gegen die Schulter 101 stößt und durch Falten oder Stauchen des Randabschnittes 102 gegen eine Abschrägung 108, die am Flansch vorhanden ist, fixiert iet. In ähnlicher Weise umfaßt die hintere Endkappe 110 einen mit einer mittleren Bohrung versehenen zylindrischen Körper, der einen Flansch aufweist, welcher gegen die Schulter 103 stößt und dort durch Verformen des Randabschnittes 104, so daß dieser an eine im Flansch der Kappe vorhandenen Abschrägung 112 angepaßt wird, fixiert ist.

Innerhalb der Kammer, die durch die Innenwand des Hauptteils und die nach innen gerichteten Flächen der vorderen Endkappe und der hinteren Endkappe 110 gebildet wird, befindet sich ein länglicher, in einer Form hergestellter Spulenkörper 114, um den Magnetdraht herumgewunden ist, so daß eine Spule 116 gebildet wird. Die Spule 116 ist mit einem Satz Anschlußstiften 120 (nur einer ist gezeigt) elektrisch verbunden, die sich durch eine ovale Öffnung 122 in der hinteren Endkappe 110 nach rückwärts erstrecken und durch einen Verbindungsteil 118

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gescntzt sind, der einstückig mit dem Spulenkörper 114 ausgebildet ist.

Der Spulenkörper 114 ist mit einer mittig angeordneten Längsbohrung 124 versehen, die sich im wesentlichen koaxial zu einer Gewindebohrung 126 in der hinteren Endkappe erstreckt. Ein stangenförmiges Kernelement 128, das aus weichem magnetischen Material besteht, ist in das Gewinde der Endkappenbohrung 126 eingeschraubt und erstreckt sich im wesentlichen über die Länge der Spulenkörperbohrung. Das Kernelement 128 ist an seinem Gewindeende 130 mit einem Schlitz versehen, um eine Justierung seiner Verlängerung/der Spulenkörperbohrung 124 zu gestatten. Durch die Justierung des Kernelementes wird der Luftspalt und die Hubhöhe des Ventils festgelegt. Eine Stellschraube 132 ist in gine Innenbohrung des Kernelementes 128 eingeschraubt, damit die Ventilschließkraft durch einen Stift 140, der sich gegen ein Kugelelement 136 bewegt, eingestellt werden kann. Die Innenbohrung des Kernelementes 128 ist über einen O-Ring 138 abgedichtet, der über den Stift 140 geschoben ist und gegen die Innenfläche der Bohrung stößt.

Die Spulenkörperbohrung 124 ist an der Innenseite der hinteren Endkappe 110 durch einen O-Ring 139 und an der vorderen Endkappe 106 durch einen O-Ring 141 hydraulisch abgedichtet. Diese Dichtungseinrichtungen stehen bei normalen Raumtemperaturen (20 C) zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichem thermischen Expansions- und Kontraktioneverhalten unter Druck. Der

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O-Ring 139 ist in einen Ringraum zusammengedrückt, der zwischen der zylindrischen Außenfläche des Kernelementes 128 und der zylindrischen Innenfläche des ausgenommenen Bereiches 12? des Spulenkörpers 114 ausgebildet ist. Der O-Ring 141 ist in einem ähnlichen Ringbereich zusammengedrückt, der zwischen der zylindrischen Außenfläche einer rückwärtigen Verlängerung des Körpers der vorderen Endkappe 106 und der zylindrischen Innenfläche eines ausgenommenen Bereiches 143 im Spulenkörper 114 ausgebildet ist.

Die Endkappe 106 und das Kernelement 12ü sind aus ähnlichen Stählen mit niedrigem Kunststoffgehalt hergestellt, während der Spulenkörper 114 aus glasfaserverstärktem Nylon geformt ist. Die zylindrischen Innenflächen des Spulenkörpers und die zylindrischen Außenflächen der Endkappe und des Kernelementes ziehen sich alle während eines Temperaturabfalls radial zusammen· Der Spulenkörper zieht sich jedoch aufgrund seines unterschiedlichen Materials schneller zusammen und erhöht somit die Kompression bei niedrigeren Temperaturen. Dieser von dem sich schneller zusammenziehenden Spulenkörper ausgeübte ansteigende Druck bewirkt eine Ausweitung des Betriebsbereiches des Ventils bei kalten Temperaturen, indem die mangelnde Flexibilität der O-Ring-Dichtungen unterhalb von minus 30 C kompensiert wird.

In der mittigen Bohrung der vorderen Endkappe 106 ist eine einzige Stufe angeordnet, die die Bohrung in eine Ankerführungs— bohrung 142 und eine Montagebohrung 144 unterteilt. In der

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Montagebohrung 144 ist ein Ventilgehäuse 146 so weit aufgenommen, bis es gegen die an der Stufe zwischen den Bohrungen ausgebildete Innenschulter 145 stößt. Das Ventilgehäuse 146 wird in Position gehalten, indem der vordere Randabschnitt der Montagebohrung 144 über eine Abfasung im Ventilgehäuse 146 gebogen ist. Das Ventilgehäuse 146 ist mit einer Längsbuhrung 14Θ versehen, die an einem Ende mit der Ankerfuhrungsbohrunn 142 in Verbindung steht und am anderen Ende in einem konischen Ventilsitz 150 endet, der sich in einen glatten Übergangsbereich 152 krümmt und schließlich eine zylindrische Dosieröffnung 154 bildet.

Die Ventilgehäusebohrung 148 steht mittels einer Vielzahl von Kraftstoffeinlässen 149, die um das Ventilgehäuse 146 herum beabstandet sind, mit dem Kraftstoff in der Hülse 22 in Verbindung. Die Einlasse 149 sind nahe an der Dosieröffnung 154 angeordnet, damit während eines Betriebes bei niedrigem Druck ein minimaler Druckab-fall auftritt. Die Einlasse sind desweiteren gegenüber Verschmutzung durch das umgebende Sieb eines geformten Filterelementes 151, das auf das Ventilgehäuse gepaßt ist, geschützt.

In der Ventilgehäusebohrung 14Θ ist eine Ventilnadel 156 hin- und herbeweglich angeordnet, die an ihrem entfernten Ende durch Preßpassung in einem allgemein ringförmig ausgebildeten Anker 158 befestigt ist. Das Nadelventil, das im Querschnitt in

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Figur 3 gezeigt ist, weist einen mittleren Abschnitt auf, der im Querschnitt dreieckförmig ist und an jedem Winkel eine gekrümmte Lagerfläche bildet, die an der Ventilgehäusebohrung 148 gleitet, um das Nadelventil innerhalb der Bohrung zu zentrieren.

Das Nadelventil erstreckt sich in eine Ventilspitze 160, die eine Dichtungsfläche 162 aufweist, die mit dem konischen Ventilsitz 150 zum Schließen des Ventiles zusammenwirkt. Von der Ventilspitze des Nadelventils geht ein Zapfen aus, der in einer Umlenkkappe 164 endet, die den eingespritzten Kraftstoff zu einem Hohlkegel oder einem Weitwinkel-Sprühmuster formt, wie vorstehend beschrieben wurde. Die Umlenkkappe ist aus Schutzgründen im Gehäuse 146 aufgenommen.

Das Nadelventil 156 ist im wesentlichen hohl ausgebildet und weist einen Innenkanal 155 auf, der von der Ventilspitze bis zu der Ventilendverbindung am Anker 158 gebohrt ist. Das Ventilende ist mit einer Ausnehmung 147 versehen, die eine Schließfeder 137 innerhalb der mittigen Bohrung im Anker 158 lagert. Der Kanal 155 steht über eine Öffnung 153, die in jede Seite des mittleren Abschnittes des Nadelventils eingeschnitten ist, mit der Ventilgehäusebohrung 148 in Verbindung. Der Kanal 155 und die mittige Ankerbohrung stellen somit eine Druckentlastung für einen Luftspalt dar, der zwischen dem Anker und dem Kernelement angeordnet ist. Dadurch wird verhindert, daß sich dort

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hydraulische Kräfte aufbauen und die Öffnungszeit des Ventils beeinflussen.

Die Schließfeder wird durch das Kugelelement 136 gegen die Ventilnadel-ausnehmung 147 zusammengedrückt, um eine an der Ventilnadel angreifende Schließkraft zu erzeugen, die durch Drehen der Stellschraube 132 eingestellt werden kann. Während der Justierung werden keinerlei Torsionskräfte erzeugt, da sich der Stift 140 auf dem Kugelelement 136 dreht und nur eine axiale Bewegung des Elementes bewirkt. Irgendwelche Neigungen am Teil der Schließfeder,sich nach oben zu winden, bewirken ein Gleiten an der Oberfläche des Kugelelementes und somit eine Vernichtung der Torsionskraftkomponente.

Dadurch, daß die Schließfeder im Anker 158 enthalten und im Ventilende eingelassen ist, wird die Schließkraft vor dem Luftspalt aufgebracht und der Hebelarm verringert, über den exzentrische Kraftkomponenten wirken könnten. Kürzere und engere Lagerflächen können am mittleren Abschnitt der Ventilnadel Verwendung finden, um die Kräfte auszugleichen. Durch die Verwendung eines kürzeren dreieckförmigen mittleren Abschnittes mit weniger Lagerfleche in Verbindung mit der Ventilhohlnadel und dem Anker wird die Masse des sich bewegenden Teiles des Einspritzventils signifikant verringert. Durch die Verringerung der Masse des beweglichen Teiles und durch den Anstieg der Kraft, der durch die Vergrößerung der

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Spule erzeugt wird, wird die Öffnungszeit des Ventiles verringert.

Im Betrieb des Ventils baut sich, wenn Strom in Form eines Einspritzsignals von dem Verbindungsglied 12 den Anschlußstiften 120 und damit der Spule 116 zugeführt wird, durch das Kernelement 128, die hintere Endkappe 110, den Hauptteil 100 und die vordere Endkappe 106 ein Magnetfeld auf, so daß das weiche magnetische Material des Ankers 156 über den Luftspalt angezogen wird und gegen ein nicht magnetisches Abstandsstück 135 an der Stirnseite des Kernelementes stößt. Das Abstandsstück 135 ist für die Schließzeit des Ventils förderlich, indem es während der Erregung einen minimalen Spalt aufrechterhält. Wenn die von dem Magnetfeld ausgeübte Zugkraft die Kraft der Schließfeder übersteigt, wird die Ventilnadel vom Ventilsitz abgehoben und Kraftstoff wird über die Ventilsitzgrenzfläche und die Dosieröffnung abgegeben, bis der Stromfluß zu den Anschlußstiften 120 unterbrochen wird und die Schließfeder das Ventil wieder dichtend verschließt.

Nach der Montage können der Hub des Ventils und der Luftspalt durch Drehen des Kernelementes 128 und die Schließkraft durch Drehen der Stellschraube 132 eingestellt werden. Die beiden Einstellvorgänge ergänzen einander zur Kalibrierung des statischen und dynamischen Kraftstoffdurchflusses. Eine Feststellung kann über ein Dichtungselement 121 erfolgen.

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Die Einstellung des statischen Kraftstoffdurchflusses durch das Ventil wird nunmehr anhand der Figur 4 beschrieben. Dort ist die statische Kraftstoffdurchflußmenge Q des Einspritzventils 10 als Funktion des Ventilhubes L dargestellt. Bei kleinen Ventilhüben im Bereich A herrscht die durch das Nadelventil und die Ventilsitzgrenzfläche erzeugte Drosselung vor, und die statische Kraftstoffdurchflußmenge ist von der Dosieröffnungsgröße unabhängig. In diesem Bereich ist der Wert J\^ Q/ A L eine Konstante K, die auf die ansteigende ijffnungsfläche zwischen der Grenzfläche des Nadelventils und dem Ventilsitz bezogen ist.

Im Bereich C₁ wo der Hub über den Punkt hinaus ansteigt, an dem die Ven-tilnadel den Kraftstoffdurchfluß drosselt, ist die Größe der Dosieröffnung der bestimmende Faktor des statischen Kraftstoffdurchflusses. In diesem Bereich ist der Wert J\^ Q/ /\ L gleich null. Zwischen den Bereichen A und C liegt ein kleinerer Bereich B, in dem der statische Kraftstoffdurchfluß des Einspritzventils im wesentlichen eine Funktion der Größe der Dosieröffnung ist, jedoch ebenfalls vom Ventilhub abhängt. In diesem Bereich ist der Wert J^ Q/ j\^ L viel geringer als K und nähert sich dem Wert von null an, der im Bereich C vorhanden ist. Die Änderung des statischen Kraftstoffdurchflusses bei einer Änderung des Ventilhubes ist vom Verhältnis des sich ändernden Grenzflächenbereiches und der Fläche der Dosieröffnung abhängig.

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Indem der Ventilhub in diesem Bereich eingestellt wird, wird eine relativ gut steuerbare Abstimmung zur Kalibrierung des statischen Kraftstoffdurchflusses eines bereits zusammengebauten Einspritzventils auf einen speziellen Wert möglich. Es wurde festgestellt, daß dieses Verfahren optimale Ergebnisse liefert, wenn der Abstimmungsbereich 5 "Jo der statischen Kraft— stoffdurchflußmenge für eine Änderung des Ventilhubes um 25 pn beträgt. Das Einstellgewinde am Kernelement 128 ist in geeigneter Weise ausgewählt, um steuerbare Hubänderungen dieser Größenordnung zu erreichen.

Nach der Kalibrierung des statischen Durchflusses wird eine dynamische Kalibrierung vorgenommen, um die Schließkraft an den Luftspalt anzupassen, der während der statischen Kalibrierung verändert worden war, und um das dynamische Ansprechverhalten einzustellen. In Figur 5 ist die dynamische Kraftstoffdurchflußmenge in Abhängigkeit von der Impulslänge dargestellt. Die gestrichelte Linie D zeigt ein ideales Ventil, das eine statische Durchflußmenge (Steigung) von 600 cm /min besitzt und dessen Kennlinie durch den Nullpunkt verläuft.

Die üffnungs- und Schließzeiten eines wirklichen Ventils sind jedoch begrenzt, so daß die tatsächliche dynamische Charakteristik beispielsweise durch eine rechts von der Ideallinie, prallel zu dieser verlaufende Linie E wiedergegeben wird. Je weniger "ideal" und langsamer das Ventil arbeitet, desto weiter liegt die wirklich^edynamische Linie von der Linie D nach rechts. Ein kritischer Betrieb bei höheren Motordrehzahlen

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erfordert eine maximale Einspritzmenge, während die für den Einspritzvorgang zur Verfugung stehende Zeit abnimmt. Ventile mit hohen Durchflußmengen und steilen dynamischen Kennlinien sind erforderlich, um diese Anforderungen zu erfüllen, bewirken jedoch, daß sehr kleine Impulslängen für die minimalen Einspritzmengen Verwendung finden. Je eher das Ventil linear bis zum Idealfall kalibriert werden kann, desto vorteilhafter ist dies für das System.

Unter Berücksichtigung von diesen Zielen wird die dynamische Kalibrierung durchgeführt, indem die minimale Durchflußmenge des Ventils am Punkt G aufgegriffen wird, die einen gewissen Sicherheitsfaktor unterhalb der im Leerlauf eingespritzten Minimalmenge oder dem Punkt F einschließt. Die Schließkraft wird dann so eingestellt, daß die Verschiebung der Linie E gegenüber dem idealen Ansprechverhalten bei Linie D auf ein Minimum gebracht wird.

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L e e"r se i t e

Claims

Patentansprüche

1. Elektronisches Kraftstoffeinspritzventil mit einem Einspritzgehäuse, in dem eine Spule angeordnet ist, Einrichtungen zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Spule und einer Quelle eines Einspritzsignale, eine Ventilanordnung, die ein Ventilgehäuse aufweist, das an dem Einspritzgehäuse befestigt ist, und eine Ventilnadel, die innerhalb einer mittlg in dem Ventilgehäuse angeordneten Bohrung hin- und herbeweglich gelagert ist, wobei die Ventilgehausebohrung in einer Dosieröffnung endet und die Ventilnadel an einem Anker befestigt ist, der auf das von der Spule erzeugte Magnetfeld anspricht, wenn die Spule mit dem Signal angesteuert wird, um die Ventilnadel zu bewegen und eine Kraftstoffdurchflußbahn zwischen der Ventilgehäusebohrung und der Dosieräffnung zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzgehäuse einen rohrförmigen Einspritzkörper umfaßt, der zwischen seinen Enden eine Innenkammer bildet und an einem Ende mit einer mit einer mittig angeordneten Bohrung versehenen vorderen Endkappe und an seinem anderen Ende mit einer mit einer mittig angeordneten Bohrung versehenen hinteren Endkappe ausgestattet ist, daß ein mit der Spule umwickelter Spulenkörper in der Innenkammer zwischen den

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/2 ORIGINAL INSPECTED

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Endkappen angeordnet ist und eine Längsbohrung aufweist, die im wesentlichen mit der mittigen Bohrung einer Jeden Endkappe ausgerichtet ist, daB die Bohrung der vorderen Endkappe mit einer einzigen Stufe versehen ist, die eine Schulter bildet, die die Bohrung in eine Montagebohrung und in eine Ankerführungebohrung unterteilt, wobei das Ventilgehäuse in der Montagebohrung angeordnet ist und gegen die Schulter stößt, daB sich die Ventilnadel in die Ankerführungsbohrung erstreckt, wo sie am Anker befestigt ist, daB die Ventilanordnung erste Einrichtungen zur Zuführung von Kraftstoff von einer Druckquelle zur Ventilgehäusebohrung umfaßt, daB das Kraftstoffeinspritzventil ein Kernelement aufweist, das durch die Bohrung der hinteren Endkappe montiert ist und sich in die Spulenkörperbohrung in Richtung auf den Anker erstreckt, wobei das Kernelement und der Anker durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind, und daB eine unter Oruckjetehende Schließfeder eine Kraft auf die Ventilnadel ausübt, um ein Schließen der KraftstoffdurchfluBbahn zwischen der Ventilgehäusebohrung und der Dosieröffnung zu bewirken, wobei die Spule, wenn sie mit dem Signal angesteuert wird, eine Magnetkraft erzeugt, die auf den Anker über den Luftspalt einwirkt und die die Kraft der Schließfeder übersteigt, um die Dosieröffnung durch Anheben des Ankers und der Ventilnadel bis zu einem Punkt, wo der Anker gegen das Kernelement stößt, zu öffnen·

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2. Elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Endkappe einen allgemein zylindrischen Körper umfaßt, der einen radialen Flansch aufweist, und daß der Einspritzkörper einen ersten radial versetzten Randabschnitt aufweist, der mit dem Körper über eine Schulter an demjenigen Einspritzkörperende verbunden ist, an dem die vordere Endkappe befestigt ist, und daß der erste Randabschnitt gegen den Flansch der vorderen Endkappe mechanisch verformt ist, um den Flansch gegen die Schulter zu pressen.

3. Elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Endkappe einen allgemein zylindrischen Körper umfaßt, der einen radialen Flansch aufweist, und daß der Einspritzkörper einen zweiten radial versetzten Randabschnitt aufweist, der mit dem Körper über

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eine Schulter an demjenigen Einspritkörperende verbunden ist, an dem die hintere Endkappe befestigt ist, wobei der zweite Randabschnitt gegen den Flansch der hinteren Endkappe mechanisch verformt ist, um den Flansch gegen die Schulter zu pressen.

4. Elektromagnetisches Kraftetoffeinepritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht magnetisches Distanzstück in dem Luftspalt angeordnet ist, um eine minimale Trennung zwischen dem Anker und dem Kernelement zu bewirken, wenn die Magnetkraft das Ventil öffnet.

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S. Elektromagnetisches Kraftatoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Kraftstoffzuführungeeinrichtungen eine Vielzahl von Kraft— atoffeinlässen in dem Ventilgehäuse zu der Dosieröffnung benachbart umfassen und daß das Einspritzventil desweiteren zweite Einrichtungen zur Zuführung von Kraftstoff von der Ventilgehäusebohrung zum Luftspalt aufweist, um den Druckaufbau zwischen dem Anker und dem Kernelement zu mindern.

6· Elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und eine Bohrung aufweist, daß die Ventilnadel an ihrer Befestigung am Anker mit einer Aussparung versehen ist und daß die Schließfeder in der Ankerbohrung und der Ausnehmung des Nadelventils angeordnet ist, um die Schließkraft vor dem Luftspalt aufzubringen und dadurch die auf das Nadelventil einwirkenden exzentrischen Schließkräfte zu vermindern.

7. Elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch S und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Kraftstoff-Zuführungseinrichtungen von der Gehäusebohrung zum Luftspalt, die einen Oruckaufbau zwischen dem Anker und dem Kernelement vermindern, einen Innenkanal in dem Nadelventil umfassen, der einerseits mit der Ankerbohrung und andererseits mit der Ventilgehäusebohrung in Verbindung steht.

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θ. Elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil desweiteren Einrichtungen zur Einstellung des Luftspaltes aufweist, um die Entfernung, über die die magnetischen Kräfte wirken, und die Entfernung, Über die der Anker und die Ventilnadel angehoben werden, zu variieren.

9. Elektromagnetisches Kraftetoffeinepritzventil nach Anspruch Θ, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einstellen des Luftspaltes ein Stellgewinde am Kernelement umfassen, das sich mit einem Gewinde in der Bohrung der hinteren Endkappe in Eingriff befindet.

10. Elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil desweiteren Einrichtungen zum Einstellen des auf die Schließfeder einwirkenden Druckes aufweist, um die auf das Nadelventil aufgebrachte Schließkraft zu variieren.

11. Elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einstellen der Schließkraft, die auf das Nadelventil aufgebracht wird, eine Stellschraube umfassen, die in eine Innenbohrung des Kernelementes eingeschraubt und entlang der Einspritzachse beweglich ist, wobei durch die axiale Bewegung die Kompression der Schließfeder und dadurch die Schließkraft geändert werden kann.

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12« Elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß es desweiteren Einrichtungen zum Verhindern der Verbindung der SchlieBfeder während der Einstellung der Kompression aufweist.

13. Elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Verhindern der Verwindung der Schließfeder ein Kugelelement umfassen, das zwischen der Stellschraube und der Schließfeder angeordnet ist und die Bewegung der Stellschraube auf die Schließfeder überträgt, ohne in der Schließkraft ein· Torsions— komponente zu erzeugen.

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