DE3006815C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Einspritzventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Aus der DE-OS 20 37 151 ist ein Einspritzventil dieser Art bekannt, bei dem ein die Einspritzzone bildender Ringraum mit dem Inneren des Ventilelements über eine radiale Bohrung verbunden ist, die sich durch die Seitenwandung des Ventilelements erstreckt. Hierdurch ergibt sich ein großer Druckabfall infolge des Richtungswechsels der Brennstoffströmung, wobei noch ein merkbarer Pumpeffekt hinzutritt, da keine Rückströmleitungen vorgesehen sind. Die das Ventilelement beaufschlagende Feder stützt sich an einer Schulter ab, die sich etwa im mittleren Bereich des Ventilelements befindet, d. h. an einer von der Einspritzzone entfernten Stelle. Hierdurch wird der austrittsseitige Endabschnitt des Ventilelements einer Kompressionslast unterworfen, die zu verstärktem Verschleiß führt und die durch größere Masse zu kompensieren wäre. Hierdurch wird die Translationsgeschwindigkeit des Ventilelements beeinträchtigt.

Außerdem ist es aus der FR-PS 24 17 646 bekannt, an der Außenfläche des Ventilelements eines Einspritzventils zwei prismatische Führungszonen vorzusehen, die mit der Innenoberfläche der Düse Hohlräume bilden, die mit dem die Einspritzzone bildenden Ringraum in Verbindung stehen, um den Pumpeffekt zu dämpfen. Jedoch besitzt dieses Einspritzventil kein hohles Ventilelement und ist von anderer Konstruktion.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs zu schaffen, das eine sehr genaue Kontrolle der einzuspritzenden Brennstoffmenge bei kleinerer Einspritzöffnung und großer Translationsgeschwindigkeit des Ventilelements ermöglicht.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs gelöst.

Hierbei wird der Druckabfall in der Einspritzzone durch entsprechende Bohrungen gering gehalten, ein durch die hin- und hergehende Bewegung des Ventilelements erzeugter Pumpeffekt gedämpft, und es werden die Zeiten für die Translationsbewegungen des Ventilelements reduziert, da die Reibung zwischen den Führungsflächen des Ventilelements und dem dieses führenden Brennstoffzuführrohr minimal gehalten wird. Hierdurch erhöhen sich auch die Standzeiten der der Reibung ausgesetzten Teile. Allein durch die Bemessung der Brennstoffauslaßöffnung, die das einzige zu eichende Teil darstellt, wird die Kraftstoffmenge bestimmt, die während eines Arbeitszyklus eingespritzt wird. Plötzliche Änderungen des Strömungsweges für den Kraftstoff sind nicht vorhanden, so daß relativ enge Durchflußwege ermöglicht werden. Der Ventilkörper erstreckt sich insbesondere bis in die Einspritzleitung, besitzt jedoch eine geringe Masse, um seine mechanische Trägheit in bezug auf seine Translationsbewegung klein zu halten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Einspritzventil im Längsschnitt.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A von Fig. 1.

Das dargestellte Einspritzventil besitzt ein metallisches Gehäuse 10 mit drei aufeinanderfolgend (in der Zeichnung von rechts nach links) darin angeordneten Schüssen 1, 2 und 3. Im Schuß 1 befindet sich eine Induktionsspule 11, die elektrische Impulse über zwei Leitungen empfängt, die an einem elektronischen Steuerkreis angeschlossen sind, der nicht dargestellt ist. Die Induktionsspule 11 wird von einem isolierenden Spulenträger 12 getragen, der koaxial zur Symmetrieachse des Einspritzventils angeordnet ist.

Der Schuß 1 wird nach außen (nach rechts) durch einen Deckel 13 begrenzt, der eine mittlere Ausnehmung zur Durchführung eines rohrförmigen Spulenkerns 14 aus ferromagnetischem Stahl ins Innere des Einspritzventils besitzt. Der Spulenkern 14 besitzt einen Stutzen 15 zur Verbindung mit einer Brennstoffzuführleitung und dient außerdem zum Aufnehmen und Halten eines Brennstoffzuführrohres 16 in seinem Inneren, das das Benzin vom Stutzen 15 in einen Bereich benachbart dem Austritt führt und an dessen stirnseitiger Schulterkante 161 sich eine Feder 19 abstützt.

Der Schuß 1 nimmt des weiteren den rechten Teil eines Anker 17 auf, der aus Eisen besteht, das bezüglich des Magnetfeldes besonders permeabel und daher einer magnetischen Hysterese, die praktisch null ist, ausgesetzt ist. Der Anker 17 bildet dementsprechend einen Rotationskörper mit einer inneren Ausnehmung für den Durchgang des Brennstoffzuführrohres 16 und besitzt eine gewichtsmindernde Ausnehmung 170, einen Gewindeabschnitt 171 und einen nach innen vorspringenden Ring 172, der eine Anschlagfläche für das Ende eines Ventilkörpers 5 in dem Gewindeabschnitt 171 ist. Der Schuß 2 nimmt praktisch den Gewindeabschnitt 171 des Ankers 17 auf, steht direkt mit dem Schuß 1 in Verbindung und wird links auf der anderen Seite durch einen Ring 18 aus einem besonders gegen Schläge unempfindlichen Material begrenzt.

Der Schuß 3 nimmt den Ring 18 auf und stützt den rechten Teil einer Düse 4 ab, so daß diese fest und koaxial zum gesamten Einspritzventil gehalten wird.

Die Düse 4 besitzt einen im wesentlichen zylindrischen Abschnitt 41, der in dem Schuß 3 sitzt. Um die mechanische Verbindung zwischen dem Schuß 3 und dem Abschnitt 41 der Düse 4 sicherzustellen, besitzt das Gehäuse 10 einen einwärts umgebogenen Rand 31, der den zylindrischen Abschnitt 41 übergreift. Dies dient dazu, die Düse 4 in einer Versorgungsleitung des nicht dargestellten Motors zu positionieren. Zu diesem Zweck kann auch der Abschnitt 42 der Düse 4 eine beträchtliche Länge besitzen.

Das Innere des Abschnitts 42 steht mit dem Außenraum über eine Brennstoffauslaßöffnung 49 in Verbindung, die einen inneren, sich konisch nach außen verjüngenden Absperrsitz 48 aufweist. Ein nach außen ragendes Leitstück 59, das Teil des Ventilelements 5 ist, ist in die Brennstoffauslaßöffnung 49 eingesetzt. Das Leitstück 59 wird von einem konischen Abschnitt 58 getragen, der durch die Feder 19 gegen den Absperrsitz 48 gedrückt wird.

In der Düse 4 sind zwei zylindrische als Führungsabschnitte dienende Innenoberflächen 45 vorgesehen, die zur Aufnahme und Führung des Ventilelements 5 dienen, das seinerseits zwei prismatische Führungszonen 55, 56 eines prismatischen Bereichs 54 aufweist, die mit der Innenoberfläche 45 der Düse 4 Hohlräume 46 bilden, die mit einem Ringraum 43 benachbart zum Absperrsitz 48 in Verbindung stehen.

Das Ventilelement 5, das in die Bohrung der Düse 4 eingeführt ist, besitzt eine Innenbohrung und ferner einen Aufbau, so daß ein Kraftstofffluß zum Austritt des Ventils geleitet wird, der möglichst direkt und geradlinig ist. Das Ventilelement 5 besitzt ein mit Gewinde versehenes Ende 51, das mit dem Gewindeabschnitt 171 des Ankers 71 verschraubt wird, und endet in einem zylindrischen Abschnitt 50, der sich mit seiner Stirnseite an dem Ring 172 abstützt, um das gegenseitige Positionieren von Ventilelement 5 und Anker 17 zu ermöglichen. Ein zylindrischer Bereich 52 erstreckt sich durch den Ring 18, ohne dessen Innenbohrung zu berühren. Ein Ring 53, dessen Außendurchmesser größer als der Innendurchmesser des Rings 18 ist, kann von links an dem Ring 18 zur Anlage gebracht werden, und die rechte Seitenfläche des Rings 53 bildet die Anschlagfläche für die Öffnung des Ventilelements 5. Ferner ist ein frontseitiger Ringabschnitt 57 mit einer Vielzahl von Bohrungen 20 vorgesehen, der außerdem den Abschnitt 58 mit dem ein kehlförmiges Profil aufweisenden Leitstück 59 trägt.

Das Verschieben des Ventilelements 5 in die geöffnete Position wird durch das Magnetfeld verursacht, das durch elektrisches Erregen der Induktionsspule 11 erzeugt wird. Dieses Magnetfeld zieht den Anker 17 und folglich auch das damit verbundene Ventilelement 5, solange dieses nicht gegen den Ring 18 schlägt, in Richtung zum Spulenkern 14. Das Schließen wird durch die Feder 19 bewirkt, die zwischen einem Sitz 60 an der Rückseite des Ringabschnitts 57 des Ventilelements 5 und der Schulter 161 angeordnet ist. Die Vorspannung der Feder 19 liefert die notwendige Schließkraft, wenn das Brennstoffzuführrohr 16 korrekt positioniert und im Inneren des Spulenkerns 14 durch Stanzungen in den Bereichen 162 befestigt ist.

Schließlich besitzt das Ventil drei Dichtringe 21, 22 und 23 zur Abdichtung gegen Brennstoffaustritt nach außen und zum Verhindern des Eindringens hiervon in die Induktionsspule 11.

Während des Betriebes, der in einer hin- und hergehenden Bewegung des Ventilelements 5 zum Öffnen und Schließen des Ventils besteht, tritt der Brennstoff über den Stutzen 15 unter einem von einer Pumpe erzeugten und von einem Druckregler geregelten Druck in das Einspritzventil ein. Über das Brennstoffzuführrohr 16 gelangt der Brennstoff in die Kammer 5 A des Ventilelements 5 und über die Bohrungen 20 breitet er sich in den Raum zwischen dem Ende der Düse 4 und dem Ventilelement 5 aus, wobei ein gerader Weg zwischen dem Stutzen 15 und den Bohrungen 20 besteht.

Wenn die Induktionsspule 11 erzeugt wird, wird das Ventilelement 5 angezogen und ermöglicht es, daß der kegelstumpfförmige Abschnitt 58 sich von dem Absperrsitz 49 löst, so daß Kraftstoff in den Ringraum 43 strömt und in dem Luftstrom zerstäubt wird, der die Ansaugleitung durchströmt, in die das Ventil eingesetzt ist. Die Zerstäubung wird durch die Form des Leitstücks 59 begünstigt.

Wenn stattdessen die Induktionsspule 11 entregt ist, drückt die Feder 19 den Abschnitt 58 in den Absperrsitz 49 und wird in dieser Stellung gehalten, damit kein Kraftstoff aus dem Einspritzventil austreten kann.

Die Menge Q an Kraftstoff, die pro Zeiteinheit durch den Ringraum 43 strömt, hängt von der abgegebenen Leistung ab. Wenn die Motordrehzahl ist, ist die Frequenz f, mit der das Ventilelement 5 betrieben wird, proportional zu n (im allgemeinen f = 0,5 n). Die Periode T, in der das Ventilelement 5 einen vollständigen Zyklus des Öffnens und Schließens beendet, ist das Inverse der Frequenz f.

Die Periode T ist die Summe von vier (kleinen) Zeiträumen t₁, t₂, t₃ und t₄, die folgendermaßen definiert sind:

t₁ ist der Zeitraum, während dem sich das Ventilelement 5 nach rechts bewegt, und der im Augenblick des Beginns der Erregung der Induktionsspule 11 beginnt und im Augenblick des Anschlagens des Ringes 53 an dem Ring 18 endet. t₁ hängt nur von den mechanischen und elektromagnetischen Eigenschaften des Einspritzventils ab.

t₂ ist der Zeitraum, in dem das Ventilelement 5 in vollständig geöffneter Stellung gehalten wird; er beginnt mit dem Ende von t₁ und endet mit dem Ende der Erregung der Induktionsspule 11. t₂ hängt von der abgegebenen Motorleistung ab.

t₃ ist der Zeitraum, in dem sich das Ventilelement 5 nach links unter Wirkung der Feder 19 bewegt; er beginnt mit dem Ende von t₂ und endet, wenn der konische Abschnitt 58 mit dem Absperrsitz 49 in Eingriff gelangt.

t₄ ist schließlich der Zeitraum, in dem das Ventilelement 5 den Ringraum 43 geschlossen hält, da er von der Feder 19 gegen den Absperrsitz 49 gedrückt wird; er beginnt mit dem Ende von t₃ und dauert so lange, wie die Induktionsspule 11 entregt bleibt. t₄ hängt von der abgegebenen Motorleistung ab.

In den Zeiträumen t₁, t₂, t₃ und t₄ strömt Benzin der Mengen q₁, q₂, q₃ bzw. null durch die Brennstoffauslaßöffnung. Die von dem Einspritzventil pro Zeiteinheit abgegebene Menge Q beträgt daher: Q = f · (q₁ + q₂ + q₃).

Die nicht dargestellte elektronische Steuerung sendet pro Zeiteinheit an die Induktionsspule 11 eine Folge von Impulsen I₁, die diese erregen. Jede Periode T besteht daher aus der Summe von zwei Zeitabschnitten T₁ und T₂, die den Impulsen bzw. den darauffolgenden Pausen entsprechen; d. h. T = T₁ + T₂, wobei T₁ der Erregungszeitraum und T₂ der Entregungszeitraum sind.

Nimmt man an, daß beispielsweise die abgegebene Motorleistung geändert werden muß, ohne die Drehzahl zu ändern, so bedeutet dies, daß man die Menge Q des pro Zeiteinheit eingespritzten Benzins ändern muß, indem der Zeitraum T₁ für die Impulse I₁ geändert wird, während jedoch die Relation T = T₁ + T₂ erhalten bleibt.

Der Zeitraum T₁ ist gleich der Summe der Zeiträume t₁ und t₂, während der Zeitraum T₂ gleich der Summe der Zeiträume t₃ und t₄ gemäß obigen Definitionen ist.

Nimmt man der Einfachheit halber an, daß die abgegebenen Benzinmengen q₁, q₂ und q₃ in den entsprechenden Zeiträumen für eine bestimmte Brennstoffauslaßöffnung, einen bestimmten Versorgungsdruck und daher für eine bestimmte Dimensionierung einer Einspritzeinrichtung proportional zu den entsprechenden Zeiträumen sind, dann ergibt sich eine Menge Q₁ entsprechend folgender Relation:

Q₁ = f · (K₁t₁₁ + K₂t₂₁ + K₃t₃₁)

Ein anderer Wert für Q bei gleicher Frequenz f ergibt erfolgende Relation:

Q₂ = f · (K₁t₁₂ + K₂t₂₂ + K₃t₃₂)

In Anbetracht dessen, daß t₁₁ = t₁₂ und t₃₁ = t₃₂ sind und von den mechanischen und elektromagnetischen Eigenschaften des Einspritzventils abhängen, ergibt sich, daß Q nicht proportional zu T₁, dem Erregungszeitraum der Induktionsspule 11, ist. Man nähert sich jedoch der Proportionalität, wenn die Trägheit des Ventilelements 5 und die Gleitreibung minimalisiert werden, so daß die Zeitabschnitte t₁ und t₃ gegen null gehen.

Analog kann man zeigen, daß Q quasi proportional zum Produkt der Frequenzen mit den Zeiten T₁ ist, wenn der Motor mit unterschiedlicher Drehzahl arbeitet, vorausgesetzt, daß die Trägheit und die Reibung des Ventilelements minimalisiert sind.

Um die Trägheit minimal zu halten, ist die Masse des Ventilelements 5 minimal zu halten, indem man diesem eine mit Ausnehmungen versehene geometrische Form gibt, so daß sich eine wesentliche Gewichtsersparnis praktisch in seiner ganzen Struktur ergibt, die gegebenenfalls eine beträchtliche Länge annehmen kann, ohne daß die Masse wesentlich vergrößert wird.

Gemäß dem weiteren Aspekt von Fig. 2 besitzt das Ventilelement 5 zwischen dem Ring 53 und dem Abschnitt 58 eine äußere Oberfläche in Form eines Prismas, wobei es sich um einen Polygonzug aus alternierenden geradlinigen und kreisbogenförmigen Abschnitten handelt. In Fig. 2 sind dabei drei geradliniege und drei kreisbogenförmige Abschnitte vorgesehen. Zwischen der Innenfläche der Düse 4 und der Außenfläche des Ventilelements 5 ergeben sich daher drei Kanäle, die den Raum 5 A mit dem Ringraum 43 verbinden und ferner eine Gewichtsverminderung des Ventilelements 5 bewirken, die die Pumpeffekte, bedingt durch die hin- und hergehende Bewegung des Ventilelements 5 auf den Kraftstoff, der sich in dem genannten Bereich befindet, schwächen und daher die Reibung aufgrund der Viskosität der Flüssigkeit verringern.

Da das geringe Gewicht des Ventilelements 5 ferner durch Entfernen von Material im mittleren Bereich zwischen den Führungszonen 55, 56 erhalten wird, erhält man eine schlanke Struktur. Um jedoch ein Ventilelement 5 zu erhalten, dessen Länge keine elastische Instabilität hervorruft, wird die Feder 19 zwischen dem Sitz 60 und der Schulter 161 angeordnet, damit das Ventilelement 5 lediglich auf Zug in sämtlichen Betriebsabschnitten des Einspritzventils beansprucht wird. Die Anordnung der Feder 19 an dieser Stelle minimalisiert die Reibung aufgrund des Gleitens der Führungszonen 55, 56 auf der Innenoberfläche 45.

Schließlich ist deshalb, weil sich die die Feder 19 abstützende Schulter 161 zwischen den beiden als Führungsfläche dienenden Innenoberflächen 45 befindet, die Reibung, die sich während der Translationsbewegung des Ventilelements 5 ergibt, proportional zur Schließkraft der Feder 19.

Claims (1)

1. Elektromagnetisches Einspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse, das eine Induktionsspule und einen zugehörigen Anker enthält, mit einer aus dem Gehäuse herausragenden Düse, die eine am vorderen Ende befind­ liche Brennstoffauslaßöffnung und einen konischen Absperrsitz aufweist, mit einem mit dem Anker starr verbundenen, im Inneren der Düse gleitgeführten, hohlen Ventilelement, das an seinem freien Ende einen Brennstoffzerstäubungs­ deflektor trägt und einen konischen Abschnitt aufweist, der federnd mit dem Absperrsitz zusammenwirkt, mit einem in das Ventilelement führenden Brenn­ stoffzuführrohr, das zusammen mit dem Ventilelement eine gemeinsame Hauptachse aufweist, mit einer zwischen dem Brennstoffzuführrohr und dem Ventilelement im Inneren des Ventilelements angeordneten Feder, die das Ventilelement gegen den Absperrsitz vorspannt, mit einem eine Einspritzzone bildenden Ringraum, der unmittelbar stromaufwärts vor der Brennstoffauslaßöffnung durch die Düse und das Ventilelement begrenzt ist und über mindestens eine Bohrung mit dem Inne­ ren des Ventilelements verbunden ist, und mit Einrichtungen für die Begrenzung des Öffnungsweges des Ventilelements, gekennzeichnet durch die Kom­ bination der folgenden Merkmale:

   • a) die Verbindung des Ringraums mit dem Inneren des Ventilelements (5) erfolgt über mehrere Bohrungen (20) in einem frontseitigen Ringabschnitt (57) des Ventilelements (5), deren Achsen eine wesentliche Komponente parallel zur Hauptachse aufweisen;
   • b) die Außenfläche des Ventilelements (5) weist zwei prismatische Füh­ rungszonen (55, 56) auf, die mit der Innenoberfläche (45) der Düse (4) Hohl­ räume (46) bilden, die mit dem Ringraum in Verbindung stehen;
   • c) die Feder (19) ist an dem frontseitigen Ringabschnitt (57) und an einer Schulter (161) des Brennstoffzuführrohrs (16) abgestützt, wobei die Schulter (161) zwischen den beiden prismatischen Führungszonen (55, 56) liegt.