Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches
Kraftstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil der oben
genannten Art umfaßt einen Düsenkörper mit einem Ventilsitz und
ein Ventilglied oder eine Ventilnadel mit einer Anschlagkante
oder -fläche. Die Ventilnadel ist relativ zum Düsenkörper
zwischen einer geschlossenen Stellung, in der die Anschlagfläche
gegen den Ventilsitz stößt, um eine Kraftstoffzufuhr zur
Maschine zu unterbrechen, und einer offenen Stellung, in der die
Anschlagfläche vom Ventilsitz entfernt ist, um die
Kraftstoffzufuhr zur Maschine zu ermöglichen, bewegbar
angeordnet. Die Ventilnadel wird durch einen elektromagnetischen
Stellantrieb betätigt, so daß sie sich zwischen der offenen und
der geschlossenen Stellung bewegt, und sie ist mit einem Zumeß- oder
Dosierteil versehen, das mit dem Ventilsitz zusammenwirkt,
um dazwischen einen Kraftstoff-Dosierspalt abzugrenzen, wenn die
Ventilnadel in der offenen Stellung ist. Die Anschlagfläche der
Ventilnadel ist stromauf von dem Dosierteil mit Bezug zur
Strömungsrichtung des Kraftstoffs angeordnet.
Das oben beschriebene elektromagnetische
Kraftstoffeinspritzventil ist an der Maschine angebracht, um den
Kraftstoff in einen Zylinder oder ein Ansaugrohr der Maschine
einzuspritzen. Demzufolge liegt wenigstens ein Endabschnitt des
Düsenkörpers und der Ventilnadel zum Inneren des Zylinders oder
des Ansaugrohres hin frei. Aus diesem Grund besteht die Neigung
zu einer Ablagerung oder Ansammlung von Verbrennungs- oder
Verdampfungsrückständen im Kraftstoff an den Flächen des
Endabschnitts des Ventilkörpers und der Ventilnadel. Eine
derartige Ablagerung und Ansammlung von Rückständen tritt kaum
während einer Kraftstoffeinspritzung, d. h. wenn die Ventilnadel
in der Offenstellung ist, auf, jedoch kann sie während einer
Unterbrechung der Kraftstoffeinspritzung, d. h. wenn die
Ventilnadel in der geschlossenen Stellung ist, leicht auftreten.
Da bei dem oben erläuterten herkömmlichen elektromagnetischen
Kraftstoffeinspritzventil die Anschlagfläche der Ventilnadel
stromauf von dessen Dosierteil angeordnet ist, steht das
Dosierteil in unmittelbarer Verbindung mit dem Inneren des
Zylinders oder des Ansaugrohres, wenn der Ventilkolben in der
Schließstellung ist, so daß die Rückstände am Dosierteil und an
einem Teil des Ventilsitzes, der mit dem Dosierteil zur
Abgrenzung des Dosierspalts zusammenwirkt, abgelagert und
angesammelt werden. Dadurch wird der wirksame
Öffnungsquerschnitt oder die wirksame Fläche des Dosierspalts
allmählich verringert, was zu einer Abnahme im
Kraftstoffdurchsatz führt, so daß die Leistung der Maschine
herabgesetzt wird.
Um das oben angesprochene Problem zu beseitigen, wurde durch die
JP 61-110 864 U ein Einspritzventil vorgeschlagen, wobei ein in
unmittelbarer Verbindung mit dem Inneren des Zylinders oder des
Ansaugrohres stehender Teil der Ventilnadel an einer stromab von
der Anschlagfläche befindlichen Stelle der Ventilnadel in seiner
Oberflächenrauhigkeit auf einen Wert von 0,1 µm oder darunter
gebracht wird, um das Auffangen oder Anhaften von Rückständen am
Dosierteil auszuschalten und damit ein Ablagern sowie Ansammeln
von Rückständen zu verhindern. Es werden jedoch erhebliche
Bearbeitungsschwierigkeiten hervorgerufen, um die
Oberflächenrauhigkeit auf 0,1 µm oder darunter zu bringen.
Aus der gattungsbildenden DE-OS 20 34 078 ist ein
elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil, das ein
Düsenkörper, einen im Düsenkörper ausgebildeten
kegelstumpfförmigen Ventilsitz, sowie eine Ventilnadel, die
innerhalb einer Führungsbohrung im Düsenkörper axial geführt ist
und mit dem Ventilsitz eine Düsenöffnung verschließend oder
öffnend zusammenwirkt, und einen Dosierabschnitt hat, der
stromauf des Ventilsitzes angeordnet und durch einen Ringspalt
gebildet ist, welcher Ringspalt erst durch Anheben der
Ventilnadel von ihrem Ventilsitz zwischen einer
Kegelstumpffläche an der Ventilnadel und einer Kegelstumpffläche
am Ventilsitz entsteht, wobei unmittelbar stromauf der
Kegelstumpffläche des Ventilsitzes eine Dichtkante am Ventilsitz
ausgebildet ist. Diese Dichtkante bildet auf der
Kegelstumpffläche nach innen öffnenden Ventilnadel eine lotrecht
gegenüberliegende Dosierstelle, die bei Anheben der Ventilnadel
in einen mit Ablagerung von Rückständen behafteten Bereich der
Ventilnadel wandert und dadurch den wirksamen Querschnitt des
Dosierspalts verringert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektromagnetisches
Kraftstoffeinspritzventil zu schaffen, bei dem eine Verringerung
des Kraftstoffdurchsatzes durch Ablagerungen in wirksamer Weise
verhindert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Kombination der im Patentanspruch 1
angegebenen Merkmale gelöst. Damit wird erreicht, daß durch die
erfindungsgemäße Anordnung der Dichtkante die der Dichtkante
lotrecht gegenüberliegende, den Dosierquerschnitt bildende
Dosierstelle in den ablagerungsfreien Bereich wandert, so daß bei
offener Ventilnadel keine Verringerung des Dosierquerschnitts
für den Kraftstoff auftritt. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein elektromagnetisches
Kraftstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine in einer
ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen vergrößerten, den Bereich II in Fig. 1
darstellenden Teilschnitt einer Ventilnadel des
Einspritzventils;
Fig. 3 und 4 vergrößerte Darstellungen eines Teils der
Ventilnadel im Bereich III in der Fig. 2 in einer geschlossenen
bzw. offenen Stellung;
Fig. 5 einen Teilschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
die bei einem Einspritzventil einer nach außen öffnenden Bauart
zur Anwendung kommt;
Fig. 6 in vergrößerter Darstellung den Bereich VI in der Fig. 5;
Fig. 7 eine zu Fig. 1 gleichartige Darstellung eines
Einspritzventils in einer zweiten Ausführungsform gemäß der
Erfindung;
Fig. 8 eine zu Fig. 1 gleichartige Darstellung eines
Einspritzventils in einer dritten Ausführungsform gemäß der
Erfindung;
Fig. 9 eine zu Fig. 1 gleichartige Darstellung eines
Einspritzventils in einer vierten Ausführungsform gemäß der
Erfindung;
Fig. 10 eine Draufsicht auf eine Abwandlung des in Fig. 9
gezeigten Einspritzventils;
Fig. 11 eine zu Fig. 1 gleichartige Darstellung einer fünften
Ausführungsform eines Einspritzventils gemäß der Erfindung;
Fig. 12 einen Teilschnitt des Bereichs XII in der Fig. 11 in
vergrößerter Darstellung;
Fig. 13 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Ventilnadel
im Bereich XIII der Fig. 12;
Fig. 14 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einem
Flächenverhältnis S2/S1 zwischen Dosierquerschnitten sowie einem
Verminderungsgrad ΔQ/Qa in einer Einspritzmenge und der
Beziehung zwischen dem Flächenverhältnis S2/S1 zwischen den
Dosierquerschnitten sowie einem Drosselverhältnis Pab bei dem in
den Fig. 11-13 dargestellten Einspritzventil;
Fig. 15 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einem
Neigungswinkel α einer kegeligen Fläche und einem Neigungswinkel
β im stromabwärtigen Bereich eines Ventilsitzes bei dort
angesammelten Rückständen bei dem in den Fig. 11-13
dargestellten Einspritzventil;
Fig. 16 eine graphische Darstellung der Beziehung eines
Verhältnisses da/dp zwischen einem Durchmesser dp eines Zapfen- oder
Stiftteils und eines Durchmessers da eines erweiterten
Teils mit Bezug auf ein Flächenverhältnis S3/S2 zwischen den
Dosierquerschnitten bei dem in den Fig. 11-13 dargestellten
Kraftstoffeinspritzventil;
Fig. 17 einen vergrößerten Teilschnitt eines Endabschnitts eines
Kraftstoffeinspritzventils nach einem Stand der Technik.
Es wird zuerst auf die Fig. 1-4 Bezug genommen. Die Fig. 1
zeigt ein Kraftstoff-Zufuhrsystem für eine Brennkraftmaschine
mit einem elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventil 1 in
einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung, das zur
Verwendung in z. B. Kraftfahrzeugen geeignet und dem ein
Kraftstoffbehälter 2 eingegliedert ist. Durch eine
elektromagnetische Pumpe 3 wird Kraftstoff vom Behälter 2 unter
Zwang einer Zufuhrleitung 4 durch ein Filter 5 und dann durch
die Leitung 4 einem Druckregelventil 6 zugeführt. Der innerhalb
der Zufuhrleitung 4 unter Druck stehende Kraftstoff wird über
eine Zweigleitung 7 dem Kraftstoff-Einspritzventil 1 zugeleitet,
das im allgemeinen dazu ausgebildet ist, den Kraftstoff in ein
Ansaugrohr oder einen Zylinder der Brennkraftmaschine mit
Fremdzündung einzuspeisen. Als Kraftstoff wird Benzin verwendet,
das einen relativ niedrigen Dampfdruck hat. Der Zufuhrdruck des
Kraftstoffs durch das Einspritzventil 1 hat einen relativ
niedrigen Wert in der Größenordnung von 250 kPa und wird durch
das Druckregelventil 6 auf einen konstanten Differenzdruck mit
Bezug auf einen Druck innerhalb des Ansaugrohres eingeregelt.
Das elektromagnetische Kraftstoffeinspritzventil 1 von Fig. 1
umfaßt einen Düsenkörper 11 und ein Ventilgehäuse 12, das an
seinem innenliegenden Endabschnitt abgebogen und gegen den
Düsenkörper 11 gepreßt oder verstemmt ist, um die Teile 11 und
12 miteinander zu verbinden. Um den Ventilkörper herum ist im
Preßsitz eine Abdeckkappe 13 angeordnet. Wie die Fig. 2 deutlich
zeigt, ist der Düsenkörper 11 mit einer Düsenöffnung 14, durch
die der zugemessene Kraftstoff in den Zylinder oder das
Ansaugrohr eingespritzt wird, und mit einem als
kegelstumpfförmige Fläche ausgebildeten Ventilsitz 16 versehen.
Der Düsenkörper 11 weist eine Führungsbohrung 17 (Fig. 1 und 2)
auf, in der eine längliche Ventilnadel 20 von nadelförmiger Art,
der zwei Gleitstücke 21 und 22 aufweist, aufgenommen ist; die
Gleitstücke sind in die Führungsbohrung 17 mit einem Spalt von
wenigen µm zwischen der Wandfläche der Führungsbohrung 17 und
den Wandflächen der Gleitstücke 21 und 22 eingesetzt, so daß die
Ventilnadel 20 stoßfrei und glatt gleiten kann.
Wie die Fig. 2-4 zeigen, ist der Ventilkolben innerhalb der
Führungsbohrung 17 für eine Verlagerung mit Bezug zum
Düsenkörper 11 zwischen einer geschlossenen Stellung (Fig. 3)
und einer offenen Stellung (Fig. 4) relativ bewegbar angeordnet.
In der Schließstellung stößt eine an der Ventilnadel 20
ausgebildete Dichtkante 23 gegen den Ventilsitz 16, um die
Düsenöffnung 14 zu verschließen und damit eine Kraftstoffzufuhr
zur Maschine zu unterbrechen. In der Offenstellung ist die
Dichtkante 23 vom Ventilsitz 16 mit einem Hubweg H beabstandet,
so daß die Düsenöffnung 14 offen und damit eine Kraftstoffzufuhr
in die Maschine möglich ist. Die Ventilnadel 20 ist ferner mit
einer Kegelstumpffläche 26 versehen, die zusammen mit einer
Fläche des Ventilsitzes 16 einen Dosierspalt 24 abgrenzt, wenn
die Ventilnadel 20 in der in Fig. 4 gezeigten Offenstellung ist.
Der Dosierspalt 24 bildet zwischen der Dichtkante 23 und der
Dichtstelle 61 den Dosierquerschnitt S. Wie der Fig. 4 klar zu
entnehmen ist, befindet sich die Dichtkante 23 mit Bezug zur
Strömungsrichtung des durch das Einspritzventil 1 fließenden
Kraftstoffs stromab des Dosierspaltes 24.
Wie die Fig. 1 zeigt, ist zwischen ein inneres, zur Düsenöffnung
14 entferntes Ende des Düsenkörpers 11 und das Ventilgehäuse 12
ein ringförmiger Anschlag 31 fest eingefügt, gegen den ein
Ringbund 32 an der Ventilnadel 20 anstoßen kann, um die
Offenstellung der Ventilnadel 20 zu bestimmen, welcher sich an
seinem inneren Endabschnitt durch den Anschlag 31 in das
Ventilgehäuse 12 erstreckt.
Innerhalb des Ventilgehäuses 12 ist ein elektromagnetischer
Stellantrieb 35 angeordnet, der der Ventilnadel 20 eine Bewegung
zwischen der geschlossenen Stellung (Fig. 3) und der offenen
Stellung (Fig. 4) vermittelt. Der Stellantrieb 35 umfaßt einen
mit dem inneren Endabschnitt der Ventilnadel 20 verbundenen
Anker 36, einen mit Bezug zum Ventilgehäuse 12 und damit zum
Düsenkörper 11 ortsfest angeordneten Stator 37 und eine um den
Stator 37 herumgewickelte Elektromagnetspule 38. Eine Rückstell-Schrau
benfeder 39 belastet den Anker 36 zu seiner geschlossenen
Stellung hin, d. h. in Fig. 1 abwärts. Bei Zufuhr eines Stroms
zur Elektromagnetspule 38 wird eine elektromagnetische Kraft
erzeugt, die ein Anziehen des Ankers gegen die Druckkraft der
Rückstellfeder 39 zum Stator 37 hin bewirkt. Wenn der Ringbund
32 gegen den Anschlag 31 stößt, dann nimmt die Ventilnadel 20
die in Fig. 4 gezeigte Offenstellung ein. Bei einer
Unterbrechung der Stromzufuhr zur Magnetspule 38 wird die
Ventilnadel 20 vom Stator 37 durch die Druckkraft der
Rückstellfeder 39 wegbewegt. Wenn die Dichtkante 23 der
Ventilnadel 20 gegen den Ventilsitz 16 stößt, dann nimmt die
Ventilnadel 20 die in Fig. 3 gezeigte Schließstellung ein. Die
Magnetspule 38 ist über einen Anschluß 41 an ein elektronisches
Steuergerät (ZE) 42, das mit einem Mikrocomputer versehen ist,
angeschlossen. Die ZE 42 ist imstande, eine Stromzufuhr zur
Magnetspule 38 zu steuern.
Am Stator 37 ist einstückig ein Flansch 43 ausgebildet, der am
innenliegenden Ende des Ventilgehäuses 12 befestigt ist. Ein
Anschlußstück 44, das mit der Zweigleitung 7 zu verbinden ist,
bildet einen Teil des Flansches 43 und ragt von dessen zum
Stator 37 entgegengesetzt liegender Stirnfläche vor. Innerhalb
des Anschlußstücks 44 ist ein Filter 46 gehalten. Zur
Einstellung der Druckkraft der Rückstellfeder 39 ist im Stator
37 eine Justierhülse 47 angeordnet. Ein Innenkanal 48 in der
Justierhülse 47 steht an seinem stromaufwärtigen Ende über das
Anschlußstück 44 mit der Zweigleitung 7 in Verbindung, während
das stromabwärtige Ende des Kanals 48 über eine im Anker 36
ausgebildete Zentrumsbohrung 49, einen um die Außenumfangsfläche
des Ankers 36 herum verlaufenden Spalt, einen ebenflächigen
Abschnitt 51 der Ventilnadel 20, eine Zentrumsbohrung 52 im
Anschlag 31 und einen Kraftstoffkanal 53 zwischen der
Ventilnadel 20 sowie der Wandfläche der Führungsbohrung 17 mit
dem oben erwähnten Kraftstoff-Dosierspalt 24 in Verbindung
steht. Somit wird, wenn die Ventilnadel 20 ihre Offenstellung
(Fig. 4) einnimmt, der unter Druck stehende, von der
Zweigleitung 7 zur Düsenöffnung 14 geführte Kraftstoff in den
Zylinder oder das Ansaugrohr durch den Dosierspalt 24
eingespritzt.
An einer mit Bezug zur Strömungsrichtung des Kraftstoffs
stromauf vom Dosierspalt 24 gelegenen Stelle ist im Düsenkörper
11 ein erweiterter Ringraum 56 ausgebildet. Ferner ist im
Düsenkörper 11 eine Kalibrierbohrung 57 ausgestaltet, die mit
dem Ringraum 56 verbunden ist, so daß die stromauf- sowie
stromabwärts vom Gleitstück 21 der Ventilnadel 20 liegenden
Teile miteinander in Verbindung stehen. Die Kalibrierbohrung 57
bildet eine Kraftstoff-Zumeßeinrichtung, die den dem Dosierspalt
24 zugeführten Kraftstoff bemißt. Bei der gezeigten
Ausführungsform ist die Kalibrierbohrung 57 so bestimmt, daß sie
20%-50% eines vorgegebenen Druckabfalls übernimmt, während der
Dosierspalt 24 so bestimmt ist, daß er den restlichen
Druckverlust übernimmt.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen
Kraftstoffeinspritzventils 1 erläutert. Wird von der ZE 42 der
Magnetspule 38 des elektromagnetischen Stellantriebs 35 Strom
nicht zugeführt, so nimmt die Ventilnadel 20 durch die
Druckkraft der Rückstellfeder 39 die in Fig. 3 gezeigte
Schließstellung ein. In dieser Schließstellung stößt die
Dichtkante 23 der Ventilnadel 20 gegen den Ventilsitz 16 am
Düsenkörper 11, um eine Kraftstoffzufuhr zur Maschine zu
unterbrechen. Während der Einnahme der in Fig. 3 gezeigten
Schließstellung wird ein Verbrennungsrückstand R innerhalb des
Zylinders oder des Ansaugrohres oder ein Verdampfungsrückstand R
im Kraftstoff an einer Fläche eines stromab der Dichtstelle 61,
an der die Dichtkante 23 auftrifft, liegenden Teils des
Ventilsitzes 16 und an einer Fläche eines stromab von der
Dichtkante 23 befindlichen Teils der Ventilnadel 20 abgelagert
und angesammelt. Da jedoch während der Einnahme der
Schließstellung Teile der Ventilnadel 20 und des Ventilsitzes
16, die sich jeweils stromauf von der Dichtkante 23 und der
Dichtstelle 61 befinden, keine unmittelbare Verbindung zum
Inneren des Zylinders oder des Ansaugrohres haben, weil das
durch die Dichtkante 23 verhindert wird, werden Rückstände R an
den Flächen dieser Teile weder abgelagert noch angesammelt.
Wenn von der ZE 42 der Magnetspule 38 Strom zugeführt wird, dann
wird die Ventilnadel 20 gegen die Kraft der Rückstellfeder 39
zum Stator 37 hin angezogen und um den Hubweg H bewegt, bis der
Ringbund 32 gegen den Anschlag 31 stößt, womit die Ventilnadel
20 die in Fig. 4 gezeigte Offenstellung einnimmt. Der unter
Druck stehende Kraftstoff gelangt von der Zweigleitung 7 durch
das Filter 46, den Innenkanal 48, die Zentrumsbohrung 49, den
ebenflächigen Abschnitt 51, die Zentrumsbohrung 52, die
Kalibrierbohrung 57, den Ringraum 56, den Kraftstoffkanal 53 und
den Dosierspalt 24 zur Düsenöffnung 14, um in den Zylinder oder
das Ansaugrohr eingespritzt zu werden. Wie aus der Fig. 4
deutlich zu entnehmen ist, wird, wenn die Ventilnadel 20 die
Offenstellung einnimmt, der Kraftstoff durch die
Kalibrierbohrung 57 und den Dosierspalt 24 zugemessen. Da an der
Kegelstumpffläche 26 der Ventilnadel 20 und an dem Teil des
Ventilsitzes 16, der den Dosierspalt 24 begrenzt, keinerlei
Rückstand R abgelagert und angesammelt wird, wird der durch die
Dichtkante 23 und eine zu der Dichtkante 23 lotrecht
gegenüberliegende Dosierstelle 61a gebildete Dosierquerschnitt S
durch Rückstände R in keiner Weise beeinflußt und kann immer
seine konstante Zumeßfunktion ausführen. Die der Dichtkante 23
der Ventilnadel 20 auf dem Ventilsitz 16 lotrecht
gegenüberliegende Dosierstelle 61a wandert (s. Fig. 4) bei
Anheben der Ventilnadel 20 - im Gegensatz zum bekannten Stand
der Technik nach der DE-OS 20 34 078 - in den ablagerungsfreien
Bereich des Ventilsitzes 16, so daß keine Verringerung des
Dosierquerschnittes S durch Rückstände R auftritt.
Bei dem Einspritzventil der Fig. 1-4 wird die stromauf vom
Dosierspalt 24 befindliche Kalibrierbohrung 57 so festgesetzt,
daß sie 20%-50% des vorbestimmten Druckverlusts, was ein
allgemein üblicher Wert ist, übernimmt, während der Dosierspalt
24 so bestimmt wird, daß er den restlichen Druckverlust
übernimmt. Deshalb vermindert sich der Druck am
Zumeßquerschnitt, d. h. am Dosierspalt 24, nicht in übermäßiger
Weise. Somit besteht keine Möglichkeit, daß eine übermäßige
Druckabnahme zu einem Verdampfen des Kraftstoffs am Ventilsitz
16 unter hoher Temperatur und Unterdruck führt, was die
Einspritzmenge abrupt vermindert.
Wenngleich für das in den Fig. 1-4 gezeigte
Kraftstoffeinspritzventil 1 die Kalibrierbohrung 57, die 20%-
50% des vorbestimmten Druckverlusts übernimmt, als vorhanden
beschrieben wurde, so ist die Kalibrierbohrung 57 nicht
unbedingt notwendig, sondern kann der Dosierspalt 24 im
wesentlichen 100% des vorbestimmten Druckverlusts übernehmen.
Das bedeutet, daß die Anordnung so getroffen werden kann, daß
das Zumessen von Kraftstoff an einer stromauf von der Dichtkante
23 der Ventilnadel 20 gelegenen Stelle beendet ist und stromab
von der Dichtkante 23 keinerlei Dosierung bewirkt wird. Das
bietet die Möglichkeit, den Durchflußquerschnitt oder die
Durchflußfläche stromab von der Dichtkante 23 bzw. der mit
dieser zusammenwirkenden Dosierstelle 61a relativ zu vergrößern.
Insofern kann die mit dem Inneren des Zylinders oder des
Ansaugrohres unmittelbar in Verbindung stehende Düsenöffnung 14
in ihrem Durchmesser beispielsweise vergrößert werden, so daß
eine präzise Oberflächenbearbeitung an der Düsenöffnung 14 u. dgl.
unterbleiben kann.
Das in den Fig. 1-4 gezeigte Kraftstoff-Einspritzventil 1 ist
von der sog. einwärts öffnenden Bauart, wobei sich das innere
Ende der Ventilnadel 20 vom ferngelegenen Ende des Düsenkörpers
11 weg bewegt, wenn der Ventilkolben durch den Stellantrieb 35
aus der in Fig. 3 gezeigten Schließstellung in die in Fig. 4
gezeigte Offenstellung verlagert wird. Wie die Fig. 5 und 6
zeigen, ist die Erfindung jedoch in gleicher Weise auf ein
Einspritzventil 1 der sog. auswärts öffnenden Bauart anwendbar,
wobei das innere Ende der Ventilnadel 20 zum ferngelegenen Ende
des Düsenkörpers 11 hin bewegt wird, wenn die Ventilnadel 20
durch den Stellantrieb 35 von der Schließstellung in die in den
Fig. 5 und 6 gezeigte Offenstellung verlagert wird. Bei der
Ausführungsform der Fig. 5 und 6 werden zu Fig. 1-4 gleiche
Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die
Funktionsweise ist folgende:
In Schließstellung der Ventilnadel 20 bildet die Dichtkante 23 des
Ventilsitzes 16 auf dem Ventilsitz 16 die Dichtstelle 61.
Unmittelbar stromab dieser Dichtstelle 61 lagern sich bei
geschlossener Ventilnadel 20 Rückstände R ab. Beim Öffnen der
Ventilnadel 20 entfernen sich die Dichtkante 23 und die
Dichtstelle 61 voneinander. Dabei wandert die der Dichtkante 23
lotrecht gegenüberliegende Dosierstelle 61a auf der Kegelfläche 26
der Ventilnadel 20 stromauf in einem ablagerungsfreien Bereich, so
daß - wie bei der Ausführung nach Fig. 3 und 4 - auch bei dem nach
außen öffnenden Einspritzventil nach Fig. 5 und 6 keine
Verringerung des Dosierquerschnittes S durch Rückstände R
auftritt.
Obwohl zu der in den Fig. 1-4 gezeigten Ausführungsform gesagt
wurde, daß die dem Dosierspalt 24 zugeführten Kraftstoff
bemessene Einrichtung aus der unmittelbar im Ventilkörper 1
ausgebildeten Kalibrierbohrung 57 besteht, so kann auch eine
andere Ausführungsform zur Anwendung kommen, wobei eine
Kalibrierbohrung 157, die der Kalibrierbohrung 57 entspricht, an
der Zentrumsbohrung 49 im Anker 36 vorgesehen wird, wie in der
Fig. 7 gezeigt ist.
Ferner kann, wie in Fig. 8 gezeigt ist, eine der
Kalibrierbohrung 57 der Ausführungsform von Fig. 1-4
entsprechende Kalibrierbohrung 257 am Innenkanal 48 in der
Justierhülse 47 vorgesehen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die in Fig. 9 gezeigt ist,
kann eine Ringscheibe 371 fest zwischen der inneren Stirnfläche
des Düsenkörpers 11 und den ringförmigen Anschlag eingeführt
werden, wobei eine der Kalibrierbohrung 57 der Ausführungsform
der Fig. 1-4 entsprechende Kalibrierbohrung 357 in der
Ringscheibe 371 ausgebildet wird. In diesem Fall wird der
Anschlag 31 mit einem Ausschnitt 372 versehen und im Düsenkörper
11 ein Verbindungskanal 373 geschaffen, um die stromoberhalb und -un
terhalb vom Gleitstück 21 liegenden Stellen miteinander zu
verbinden.
Als weitere Abwandlung kann, wie die Fig. 10 zeigt, anstelle der
oben erwähnten Kalibrierbohrung 357 ein in der Ringscheibe 371
ausgebildeter bogenförmiger Schlitz 381 zur Anwendung kommen. In
diesem Fall werden der Anschlag 31 und die Ringscheibe 371 so
angeordnet, daß sie winkelig mit Bezug zueinander bewegbar sind,
um einen innerhalb des Ausschnitts 372 freiliegenden
Öffnungsbereich des Schlitzes 381 zu verändern.
Eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung wird unter
Bezugnahme auf die Fig. 11-16 erläutert. Bei dieser
Ausführungsform ist, wie die Fig. 11 zeigt, die Ventilnadel 20
mit einem Ringwulst 458 an einer mit Bezug zur Strömungsrichtung
des Kraftstoffs stromoberhalb der Kegelstumpffläche 26 gelegenen
Stelle versehen. Der Ringwulst 458 wirkt mit der Wandfläche der
Führungsbohrung 17 zusammen, um dazwischen einen Spalt 459 von
wenigen Zehnern an µm zu bestimmen. Der Spalt 459 bildet eine
Einrichtung, um den dem Dosierspalt 24 (Fig. 12) zugeführten
Kraftstoff zu bemessen. Bei der dargestellten Ausführungsform
wird der Spalt 459 so festgesetzt, daß er 20%-50% eines
vorbestimmten Druckverlusts übernimmt.
Bei der Ausführungsform von Fig. 11 ist ein Ringspalt 425 (Fig.
12) zwischen der Düsenöffnung 14 und einem zylinderförmigen
Zapfen- oder Stiftteil 461 des Ventilkolbens so festgesetzt, daß
er 20% oder weniger, vornehmlich 5% oder weniger des gesamten
Druckverlusts übernimmt.
Im allgemeinen besteht zwischen einem Dosierquerschnitt oder
einer Dosierfläche Sm und einer Einspritzmenge Q die folgende
Beziehung:
worin sind: C ein Durchfluß-Koeffizient;
G ein Gravitations-Umwandlungskoeffizient;
Pf ein zugeführter Druck;
die Wichte des Kraftstoffs.
Im Fall von mehrstufigen Dosierquerschnitten, wie einem
Dosierquerschnitt mit einer Fläche S0 am Spalt 459 und einem
Dosierquerschnitt mit einer Fläche S1 am Dosierspalt 24 in der
gezeigten Ausführungsform, kann die obige Gleichung (1)
ausgedrückt werden, wie folgt:
Jeder der Durchflußkoeffizienten C0, C1, . . . Cn liegt in der
Größenordnung von 0,8-0,9 und sie unterscheiden sich nicht
wesentlich in ihrem Größenwert voneinander.
Da ferner die Durchflußquerschnitte Si bei dem in Fig. 11
gezeigten Kraftstoffeinspritzventil 1 mit Ausnahme der Fläche S
des Dosierspalts 459 und der Fläche S1 der Kegelstumpffläche 26
so festgesetzt sind, daß die Beziehung S0 « Si und Si « Si
erfüllt wird, kann die obige Gleichung (2) tatsächlich
ausgedrückt werden, wie folgt:
Wenn angenommen wird, daß C1-C2 ist, folgt
worin ist: P0 ein der Fläche S0 des Dosierspalts 459
entsprechender
Druckverlust und
P1 ein der Fläche S1 an der Kegelstumpffläche 26
entsprechender Druckverlust.
Das bedeutet, daß dann, wenn der Spalt 459 vom vorbestimmten
Druckverlust 20%-50% übernimmt, P0/Pf = 20%-50% ist. Aus der
Gleichung (4) ergibt sich die folgende Beziehung:
Deshalb ist
Somit sollten gemäß Gleichung (5) die Fläche in der folgenden
Weise festgesetzt werden:
Darüber hinaus kann die Fläche S2 des Ringspalts 425 an der
Düsenöffnung 14 unter Verwendung der Gleichung (5) mit Bezug auf
eine äquivalente Fläche Se der Flächen S0 und S1 berechnet
werden, d. h., es besteht die folgende Beziehung:
Demzufolge kann die Fläche S2 in der folgenden Weise
festgesetzt werden:
Wie die Fig. 12 zeigt, ist die Dichtkante 23 der Ventilnadel 20
mit Bezug zur Strömungsrichtung des Kraftstoffs stromabwärts vom
Dosierteil 26 angeordnet. Die Ventilnadel 20 hat stromab von der
Dichtkante 23 ein ferngelegenes oder inneres Endstück, das aus
einem sich verjüngenden Kegelstumpf 460, einem von diesem
Kegelstumpf ausgehenden zylinderförmigen Stiftteil 461, einem
vom Stiftteil ausgehenden, sich verjüngenden Abschnitt 462 und
einem von diesem Abschnitt 462 ausgehenden, sich erweiternden
Abschnitt 463 besteht. Somit fließt der zugemessene Kraftstoff
von der Kegelstumpffläche 26 längs des Kegelstumpfes 460, des
Stiftteils 461, des sich verjüngenden Abschnitts 462 und des
sich erweiternden Abschnitts 463 stromabwärts und wird mit einem
vorbestimmten Sprühwinkel eingespritzt. Wie vorher gesagt wurde,
wird der Ringspalt 425 zwischen der Düsenöffnung 14 und dem
Stiftteil 461 der Ventilnadel 20 so bestimmt, daß er 20% oder
weniger, vornehmlich 5% oder weniger des gesamten Druckverlusts
übernimmt. Der übrige Aufbau der in den Fig. 11 und 12 gezeigten
Ausführungsform ist zu demjenigen der Ausführungsform der Fig. 1
-4 gleichartig, wobei zu Fig. 1-4 gleiche Bauteile in Fig. 11
und 12 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind, so daß eine
nähere Erläuterung unterbleiben kann.
Bei der Verwendung des oben beschriebenen, in das Kraftstoff-Zu
fuhrsystem eingegliederten Einspritzventils 1 werden
Verbrennungsrückstände R innerhalb des Zylinders oder des
Ansaugrohres oder Verdampfungsrückstände R im Kraftstoff nicht
nur am Außenumfang des Stiftteils 461 abgelagert oder
angesammelt, sondern auch an der Wandfläche der Düsenöffnung 14,
wie in Fig. 12 dargestellt ist. Eine Ansammlung von Rückständen
R bewirkt eine Verminderung in der Einspritzmenge. Insbesondere
wird die Leistung der Maschine erheblich gemindert, wenn das
Verminderungsverhältnis der Kraftstoff-Einspritzmenge auf Grund
der Ansammlung von Rückständen 20% oder mehr erreicht.
Demzufolge muß, um eine Minderung in der Leistung der Maschine
auf Grund einer reduzierten Einspritzung zu verhindern, das
Verminderungsverhältnis der Einspritzmenge auf 10% oder weniger
beschränkt werden. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, daß der
Verminderungsgrad der Einspritzmenge höchstens 1/5 desjenigen
eines herkömmlichen, bekannten elektromagnetischen
Einspritzventils, das in Fig. 17 gezeigt ist, beträgt.
Bei dem herkömmlichen elektromagnetischen Einspritzventil von
Fig. 17 wird die Dosierung des Kraftstoffs an zwei Stellen
vorgenommen, d. h. am Dosierspalt 24 (Dosierquerschnitt S1)
zwischen dem am Ventilkörper 11 ausgebildeten Ventilsitz 16 und
einer Kante 65 an der Ventilnadel 20 sowie am Ringspalt 25
(Dosierquerschnitt S2) zwischen der Wandfläche der im
Düsenkörper 11 ausgebildeten Düsenöffnung 14 und der
Umfangsfläche des Stiftteils 66 an der Ventilnadel 20. Der
Ringspalt 25 ist so festgesetzt, daß eine Druckminderung in der
Größenordnung eines Verminderungsverhältnisses Pab ≈ 70% am Spalt
25 vorliegt. In diesem Fall ist ein Flächenverhältnis S2/S1
zwischen den Dosierquerschnitten gleich 0,62. Bei Anwendung
eines derartigen Kraftstoffeinspritzventils in einem Kraftstoff-Zu
fuhrsystem werden Verbrennungsrückstände innerhalb des
Zylinders oder des Ansaugrohres oder Verdampfungsrückstände im
Kraftstoff am Ringspalt 25 abgelagert oder angesammelt, woraus
eine Verminderung in der Einspritzmenge resultiert.
Im Hinblick auf die obigen Feststellungen wird für die in den
Fig. 11 und 12 gezeigte Ausführungsform die folgende Bestimmung
getroffen. Die Fig. 14 zeigt die Beziehung (ausgezogene Linie)
zwischen dem Verminderungsgrad ΔQ/Qa des eingespritzten
Kraftstoffs sowie dem Flächenverhältnis S2/S1 zwischen den
Dosierquerschnitten und die Beziehung (gestrichelte Linie)
zwischen dem Flächenverhältnis S2/S1 und dem Drossel- oder
Einschnürungsverhältnis Pab. In Fig. 14 gibt der
Verminderungsgrad ΔQ/Qa ein Verhältnis eines Verminderungswerts
ΔQ der Einspritzung, wenn Rückstände sich angesammelt haben, mit
Bezug zur Einspritzmenge Qa, wenn keine Rückstände angesammelt
sind, wieder. Im Fall des Kraftstoff-Einspritzventils von Fig.
11, wobei das Drosselverhältnis Pab gleich 70% ist, wird der
Verminderungsgrad ΔQ/Qa mit 1 festgesetzt.
Wie aus der Fig. 14 klar wird, ändert sich der Verminderungsgrad
ΔQ/Qa in der Einspritzmenge entsprechend dem Drosselverhältnis
Pab. Um eine Beeinträchtigung der Maschine auf Grund der
Verminderung in der Einspritzmenge zu verhindern, ist es
notwendig, das Flächenverhältnis S2/S1 mit wenigstens 2 (oder
weniger als 20% des Drosselverhältnisses Pab festzusetzen, um
den Verminderungsgrad ΔQ/Qa in der Einspritzmenge auf höchstens
1/5 zu beschränken.
Zu diesem Zweck wird bei der Ausführungsform von Fig. 11 und 12,
wenn keine Ansammlung von Rückständen vorhanden ist, der
Dosierquerschnitt S1 des Dosierspalts 24 und der
Dosierquerschnitt S2 zwischen dem Stiftteil 461 sowie der
Düsenöffnung 14 so festgesetzt, daß das Flächenverhältnis S2/S1
wenigstens 2 wird. Demzufolge kann, selbst wenn sich Rückstände
R am Außenumfang des Stiftteils 461 sowie der Wandfläche der
Düsenöffnung 14 abgelagert und angesammelt haben, das
Verminderungsverhältnis in der Einspritzmenge auf 10% oder
weniger begrenzt werden, so daß es dadurch möglich ist, eine
Beeinflussung der Motorleistung zu verhindern.
Wenn in Fig. 12 Rückstände in dem Bereich stromabwärts vom
Ventilsitz 16 angesammelt werden, so daß der
Durchflußquerschnitt S4 des stromabwärtigen Bereichs kleiner
wird als der Dosierquerschnitt S1 des Dosierspalts 24, wird die
Einspritzmenge vermindert. Um dieses Problem zu meistern, wird
die folgende Bestimmung bei der dargestellten Ausführungsform
getroffen.
Wenn der Neigungswinkel des sich verjüngenden Kegelstumpfes 460
stromab von der Dichtkante 23 an der Ventilnadel 20 gleich α
ist, der Neigungswinkel im stromabwärtigen Bereich des
Ventilsitzes 16, in dem sich Rückstände angesammelt haben,
gleich β ist, der Hubweg der Ventilnadel 20, wie in Fig. 13
gezeigt ist, gleich H ist, der Durchmesser der Düsenöffnung 14
gleich de und der Durchmesser der Dichtkante 23 an der
Ventilnadel 20 gleich ds ist, wie in Fig. 12 gezeigt ist, dann
werden der Dosierquerschnitt S1 des Spalts 24 und der
Durchflußquerschnitt S4 stromab von der Dichtkante 23, in dem
sich Rückstände angesammelt haben, jeweils wiedergegeben, wie
folgt:
S1 = πdsH sin β
S4 = πdeH cos α.
Um eine auf einer Ansammlung von Rückständen beruhende
Verminderung in der Einspritzmenge zu verhindern, ist es
notwendig, den Durchflußquerschnitt S4, in dem sich Rückstände
angesammelt haben, immer größer als den Dosierquerschnitt S1 des
Spalts 24 zu halten, d. h., aus der Beziehung von S4 < S1 muß die
folgende Beziehung aufrechterhalten werden:
Die Fig. 15 zeigt die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel α
des Kegelstumpfes 460 und dem Neigungswinkel β im
stromabwärtigen Bereich des Ventilsitzes 16, in dem sich
Ablagerungen befinden, im Fall von ds/de = 1,4. Um eine auf der
Ansammlung von Rückständen beruhende Verminderung in der
Einspritzmenge zu verhindern, sollten die Neigungswinkel α und β
so festgesetzt werden, daß sie sich in einem Bereich unterhalb
der Kurve cosα = 1,4 sinβ befinden.
Wenn der Neigungswinkel α des Kegelstumpfes 460 stromab von der
Anschlagkante 23 und der Neigungswinkel β im stromabwärtigen,
Rückstände aufweisenden Bereich des Ventilsitzes 16 so
festgesetzt werden, daß die Beziehung von
besteht, so ist es somit möglich, eine auf der Ansammlung
von Rückständen in vom Ventilsitz 16 stromab gelegenen Bereich
beruhende Verminderung in der Einspritzmenge zu unterbinden.
Darüber hinaus ändert sich eine Partikelgröße des versprühten
Kraftstoffs, wenn die Dosierfläche S2 zwischen der Wandfläche
der Düsenöffnung 14 und der Umfangsfläche des Stiftteils 461
vergrößert wird. Um ein gutes Versprühen des eingespritzten
Kraftstoffs zu erlangen, so daß er zur stromabwärtigen Seite des
sich erweiternden Abschnittes 463 hin verbreitert wird, wird des
weiteren bei der gezeigten Ausführungsform die folgende
Bestimmung festgesetzt, wobei zu bemerken ist, daß unter einem
guten Versprühen ein solches zu verstehen ist, wobei die
Partikelgröße wenige hundert µm beträgt und ein adäquater
Sprühwinkel (in der Größenordnung von 20° im Fall der
Einspritzung in das Ansaugrohr) vorhanden ist.
Wenn, wie die Fig. 12 zeigt, der Durchmesser des Stiftteils
gleich dp und der Durchmesser des sich erweiternden Abschnittes
463 gleich da sind, dann werden der Dosierquerschnitt S2
zwischen der Wandfläche der Düsenöffnung 14 sowie der
Umfangsfläche des Stiftteils 461 und die wirksame
Querschnittsfläche S3 am sich erweiternden Abschnitt 463
wiedergegeben, wie folgt
Die Fig. 16 zeigt die Beziehung eines Verhältnisses da/dp
zwischen dem Durchmesser dp des Stiftteils 461 sowie dem
Durchmesser da des sich erweiternden Abschnitts 463 mit Bezug zu
einem Verhältnis S3/S2 zwischen der Einspritzfläche S2 und der
wirksamen Fläche S3 am erweiterten Abschnitt 463. In Fig. 16
geben die Kurven a-d die dem Verminderungsgrad ΔQ/Qa in der
Einspritzmenge (Flächenverhältnis S2/S1 zwischen den
Dosierungsquerschnitten) entsprechenden Kennlinien wieder. Die
gerade Linie a stellt die Kennkurve des
Kraftstoffeinspritzventils von Fig. 17 dar, wobei der
Verminderungsgrad ΔQ/Qa in der Einspritzmenge gleich 1 und das
Flächenverhältnis S2/S1 zwischen den Dosierquerschnitten gleich
0,655 sind. Die Gerade e in Fig. 16 gibt das Verhältnis S3/S2
zwischen dem Einspritzquerschnitt S2 und dem Querschnitt S3 am
sich erweiternden Abschnitt 463 bei dem
Kraftstoffeinspritzventil von Fig. 17 wieder.
Von den Erfindern, auf die die vorliegende Erfindung zurückgeht,
wurden experimentelle Studien bei einer Anordnung ausgeführt,
wobei der Verminderungsgrad ΔQ/Qa in der Einspritzmenge auf
höchstens 0,2 oder das Flächenverhältnis S2/S1 zwischen den
Dosierquerschnitten mit wenigstens 2,04 festgesetzt wurden, wie
durch die Kurven b, c und d dargestellt ist, d. h. bei einer
Anordnung, wobei der Durchflußquerschnitt vergrößert ist, wie es
bei der in Fig. 11 und 12 gezeigten Ausführungsform der Fall
ist. Es hat sich erwiesen, daß es dann, wenn das
Flächenverhältnis S3/S2 mit wenigstens 0,5 festgesetzt wurde,
möglich war, die Sprüh-Partikelgröße auf eine hochqualitative
Partikelgröße von 500 µm oder weniger in der Zauder'schen
mittleren Partikelgröße zu bringen.
Im Hinblick auf die Versuche wird bei der Ausführungsform nach
den Fig. 11 und 12 das Verhältnis da/dp so festgesetzt, daß das
Flächenverhältnis S3/S2 entsprechend dem Verminderungsgrad ΔQ/Qa
in der Einspritzmenge (Flächenverhältnis S2/S1 zwischen den
Drosselquerschnitten) zu 0,5 oder mehr wird. Beispielsweise soll
im Fall eines Verminderungsgrades ΔQ/Qa in der Einspritzmenge,
der gleich 0,2 ist, das Verhältnis da/dp mit annähernd 1,2 oder
mehr festgesetzt werden, wie in Fig. 16 gezeigt ist. Zusätzlich
wird der Sprühwinkel durch den Neigungswinkel des sich
erweiternden Abschnitt 463 geregelt.
Auf diese Weise kann, wenn das Verhältnis da/dp so festgesetzt
wird, daß das Verhältnis S3/S2 zu 0,5 oder mehr wird, ein gutes
Versprühen erhalten werden, selbst wenn der Dosierquerschnitt S2
vergrößert wird, um eine auf der Ansammlung von Rückständen
beruhende Verminderung in der Einspritzmenge zu verhindern.
Da bei der in den Fig. 11 und 12 gezeigten Ausführungsform der
Ringwulst 458 an der Ventilnadel 20 ausgebildet ist, um dadurch
den Ringspalt 459 zu bestimmen, kann der Kraftstoff in einer in
Umfangsrichtung gleichförmig verteilten Weise fließen. Darüber
hinaus kann der Ringwulst in einer solchen Weise maschinell
bearbeitet werden, daß die Ventilnadel 20 mit einem Teil mit
vergrößertem Durchmesser vorbereitet wird und die Relativdrehung
zwischen der Ventilnadel 20 und einem Werkzeug zu einem Abtragen
des vergrößerten Durchmesserteils führt, um den Ringwulst 458 zu
fertigen. Ferner ist es möglich, nachdem eine Einspritzmenge
gemessen worden ist und gewünscht wird, den Durchmesser des
Ringwulstes 458 zu verändern, durch die Relativdrehung zwischen
der Ventilnadel 20 und dem Werkzeug eine Bearbeitung des
Ringwulstes 458 vorzunehmen, um den Durchmesser zu ändern. Das
bedeutet, daß die Bearbeitung des Ringwulstes 458 einfach ist
und am Ringwulst eine präzise maschinelle Bearbeitung ausgeführt
werden kann, so daß die Möglichkeit gegeben ist, den Ringspalt
459 ganz genau festzusetzen.