DE3874957T2

DE3874957T2 - Einspritzventil fuer einen motor mit gesteuerter zuendung und direkter einspritzung.

Info

Publication number: DE3874957T2
Application number: DE8888401068T
Authority: DE
Inventors: Claude Dabert; Bertrand Hauet; Jean-Pierre Jourde; Christian Ozenfant
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 1987-05-12
Filing date: 1988-05-03
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2008-05-04
Also published as: JP2644820B2; US4917352A; ES2034298T3; FR2615249A1; ATE81188T1; EP0291386B1; JPS6445957A; EP0291386A1; FR2615249B1; DE3874957D1

Description

Die direkte Einspritzung für Motoren mit gesteuerter Zündung führt automatisch zum Verfahren der Ladungsschichtung, welche eine Alternative zu den Magergemisch-Verfahren darstellt, bei denen das Gemisch oberhalb des oder der Eingangsventile gebildet wird.
Die Verbrennungskammern von Schichtladungsmotoren bestehen aus zwei Typen: zweite Kammer und offene Kammer. Zahlreiche Arbeiten wurden von Konstrukteuren der ganzen Welt durchgeführt, wobei die bekanntesten für die Motoren mit offenen Kammern wahrscheinlich diejenigen von der Firma Ford entwickelten PROCO-Verfahren sind.
Zur Angabe der Bedingungen für eine korrekte Verbrennung beim Schichtladungsverfahren mit offener Kammer, wobei diese bei einem Viertaktmotor im Kolben und bei einem Zweitaktmotor im Zylinderkopf erfolgt, muß das Einspritzsystem und in der Hauptsache die Einspritzdüse drei wesentliche Forderungen erfüllen:
- eine ausgezeichnete Zerstäubung des Brennstoffs gewährleisten,
- ein Eindringen des Brennstoffstrahls in die Kammer ermöglichen als Funktion der Belastung und der Geschwindigkeit des Motors,
- in der Lage sein, sehr kleine Brennstoffmengen in stabiler und wiederholbarer Weise zu liefern.
Es ist schon sehr lange bekannt, daß die Verwendung von Ultraschall eine ausgezeichnete Zerstäubung von Gemischen aus Luft oder Gas mit Brennstoff ermöglicht, wobei der Gasdruck entweder abhängt vom Rohrdruck (Depression) oder vom Druck im Zylinder zum Zeitpunkt der Einspritzung in einem Verhältnis in der Nähe von zwei. In letzter Zeit und im Zusammenhang mit der Entwicklung eines Einspritzsystems für einen Zweitaktmotor hat die Gesellschaft ORBITAL (Australien) ein derartiges System mit einer derartigen Zerstäubung entwickelt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein elektromagnetisches Einspritzventil vom Typ Druck - Zeit mit dynamischen Eigenschaften, welche es ermöglichen, sehr geringe Mengen in stabiler und wiederholbarer Weise einzuspritzen, bei gleichzeitiger ausgezeichneter Zerstäubung, ohne äußere Hilfsmittel, wie z. B. die Verwendung komprimierter Luft, und bei dem das Eindringen des Strahls durch Regelung des Brennstoffdrucks veränderbar ist. Das Einspritzventil ist übrigens vom Ventiltyp, so daß nicht das geringste Problem im Hinblick auf den Verbrennungsdruck besteht, wenn es direkt in der Verbrennungskammer eines Motors angeordnet ist.
Seine innere Ausgestaltung ist im übrigen speziell dahingehend entwickelt, daß der Herstellungspreis nicht sehr hoch ist.
Das Einspritzventil ist vom Typ Druck - Zeit, d. h. daß die Menge des eingespritzten Brennstoffs ausschließlich eine Funktion des Querschnitts des Brennstoffdurchlasses ist und des Drucks des Brennstoffs oberhalb dieses Querschnitts zum Zeitpunkt der Einspritzung und der Öffnungszeit des Querschnitts.
Das Einspritzventil gemäß der Erfindung enthält eine torische elektromagnetische Spule vom massiven axialsymmetrischen Typ, die in einer Halterung des magnetischen Kreises angeordnet ist, die in einer Aussparung sitzt, sowie ein bewegliches Teil, das aus einer ebenen Platte besteht, die fest mit einer Buchse verbunden ist, einem Ventil, das fest mit der Nadel verbunden ist und in seinem Sitz in Schließstellung durch eine Rückholfeder gehalten wird, die auf die Nadel mittels eines Tellers wirkt.
Erfindungsgemäß ist das Einspritzventil dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel mit dem Ventil eine sich in Einspritzrichtung öffnende umgekehrte Ventilanordnung bildet, daß der Teller beweglich auf der Nadel gelagert ist und daß die Nadel freigegeben wird von der Kraft der Feder durch Verschiebung des beweglichen Teils, das den Teller beaufschlagt, als Folge der Erregung der elektromagnetischen Spule, wobei sich die Nadel nur unter Wirkung von Kräften öffnet, die vom Druck des Kraftstoffs auf das Ventil herrühren.
Gemäß einem anderen Kennzeichen ist die Nadel über ein Kopfteil mit einer Haltescheibe gekoppelt, die sich auf dem Teller abstützt, wobei sich die Haltescheibe über die Rückholfeder auf der Buchse abstützt.
Gemäß einem anderen Kennzeichen bildet das Kopfteil der Nadel ein Ankuppelteil für diese, im Abstand von ihrem Sitz und geeignet zur Vermeidung von Führungsflächen.
Der Weg des beweglichen Teils und demzufolge der Öffnungsweg des Ventils ist derart, daß mit einer bekannten und geeigneten Form des Ventilsitzes der Brennstoff in sehr feiner Weise als konischer Brennstoffächer zerstäubt wird. Das bewegliche Teil befindet sich in einem perfekten hydrostatischen Gleichgewicht im Brennstoff unter dem im Einspritzdüsenkörper herrschenden Druck, wobei der Brennstoffdruck z. B. durch eine Zahnradpumpe erzeugt wird, die durch einen elektrischen Gleichstrommotor angetrieben wird, wobei ausschließlich die vom Elektromagneten und von den Federn erzeugten Kräfte die Gleichgewichte der beweglichen Teile des Einspritzventils sicherstellen. Wie bereits oben ausgeführt, kann das Eindringen des konischen Strahls durch den Brennstoffdruck verändert werden, der dadurch variiert wird, daß z. B. die Steuerspannung des Elektromotors für die Zahnradpumpe verändert wird oder ein elektronisch gesteuerter Druckregler verwendet wird.
Die von der elektromagnetischen Ausrüstung und von der Schließnadel abgekoppelten Bewegungen bei der Öffnung ermöglichen ein Öffnen das langsamer ist als das Schließen, wobei diese Folgefunktion sehr geringe Abgabeleistungen in stabiler und wiederholbarer Weise ermöglichen mit linearem Ansprechen in Raum und Zeit hinsichtlich der pro Hub eingespritzten Kraftstoffmenge.
Ferner senkt diese Abkopplung die Toleranzanforderungen bei der Herstellung bezüglich der Zentrierung der Einzelteile.
Weitere Eigenheiten und Vorteile der Erfindung gehen deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, als Beispiel genannten Ausführungsbeispiels hervor, im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung; es zeigen
Fig. 1 einen Längs- und Axialschnitt durch das Einspritzventil und
Fig. 2 eine Einzelansicht der in Fig. 1 dargestellten Platte.
In diesen Figuren weist das Einspritzventil einen Körper 1 auf, mit folgenden Teilen von oben nach unten:
- ein Kopfteil, das besonders ausgebildet ist zur Befestigung des Zulaufrohrs 10 für den Brennstoff unter Druck, der von einer hier nicht dargestellten Pumpe stammt. Dabei handelt es sich um herkömmliche Verbindungsstücke 9 und 11,
- eine mit einem Gewinde versehene Engstelle 37, deren Wirkung weiter unten erläutert wird,
- sich kreuzende diametrale Bohrungen 35, 32 und 42,
- wobei das Unterteil des Körpers bei 33 mit einem Gewinde versehen ist, zur Aufnahme einer Halterung 17, die Nadelhalter für das Einspritzventil genannt wird.
In der Bohrung 42 des Körpers 1 ist eine Halterung 13 für den magnetischen Kreis angeordnet, die wie folgt aufgebaut ist: Die Halterung 13 weist an ihrem oberen Abschnitt eine Bohrung 44 auf, in welcher der eigentliche magnetische Kreis 12 der massiv und axialsymmetrisch ist, verklebt eingedrückt ist, wobei der magnetische Kreis eine torische Nut 51 aufweist, in welcher eine torische Drahtspule 2 eingeklebt ist; die Halterung 13 weist zwei Bohrungen 52 zum Auslaß der Spulendrähte 2 auf, die mit entsprechenden Mitteln elektrisch isoliert sind. Die Halterung 13 weist ferner entlang ihres Außendurchmessers eine Nut 23 auf, die als Klemmnut 24 für den Körper 1 auf der Halterung 13 verwendet wird, wobei die Halterung 13 zum Zeitpunkt des Einklemmens sich mittels einer Dichtung 14 auf dem Boden der Ausnehmung 42 im Inneren des Körpers 1 abstützt. Der Körper 13 mit kleinerem Durchmesser in seinem Innenabschnitt weist eine Nut 48 auf, in der eine torische Dichtung 21 angeordnet ist.
Im oberen, mit einem Gewinde versehenen Abschnitt der mittigen Bohrung 29 des Körpers 13 ist verschraubt eine Buchse 53 angeordnet, deren konischer Außenabschnitt 30 im oberen Abschnitt sich auf dem zugehörigen konischen Abschnitt des magnetischen Kreises 12 abstützt. Das Material dieser Buchse 53 ist vorteilhafterweise magnetisch und besteht aus gehärtetem Stahl. In der Öffnung 39 dieser Buchse 53 gleitet in perfekt geführter Weise eine Buchse 4, bei der an ihrem oberen Abschnitt eine kreisförmige Platte 3 befestigt ist, welche mit der Buchse 4 den beweglichen Abschnitt des Elektromagneten bildet. Die Anordnung aus Platte 3 und Elektromagnet 12 weist eine ringförmige Ausnehmung 26 und Bohrungen 54 und 55 dergestalt auf, daß hydraulische Dämpfungen erzielt werden, identisch denjenigen des beweglichen Teils des Elektromagneten, wie es im französischen Patent 2 543 647 beschrieben ist.
Der untere Abschnitt des Körpers 1 mit der Bohrung 42 weist einen Gewindeabschnitt 33 auf, in welchem die Halterung 17 für die Nadel 18 des Einspritzventils angeordnet ist. Die Halterung 17, dessen äußere Form derart gestaltet ist, daß die gesamte Einspritzanordnung am Zylinderkopf des Motors befestigt werden kann, enthält an ihrem oberen Abschnitt eine große Bohrung 34 zur Aufnahme während des Montierens des Unterteils der Halterung 13 des oben genannten Elektromagneten.
Die Halterung 17 ist außerdem mit einer Bohrung 40 versehen, die in ihrem unteren Abschnitt eine Bohrung 56 größeren Durchmessers als die Bohrung 40 aufweist. In diese Bohrung 56 greift der Sitz 19 für die Nadel ein, wobei das Ende 31 des Körpers 17 im Klemmsitz in dieser Bohrung sitzt, und die Abdichtung zwischen dem Sitz 19 für die Nadel und der Halterung 17 mit Hilfe einer Metalldichtung 47 erfolgt.
Der Sitz 19 für die Nadel weist den eigentlichen Sitz 45 auf, der mit dem unteren Abschnitt der Nadel 18 ein Umkehrventil 41 von herkömmlicher Abmessung bildet. Der obere Abschnitt der Nadel 18 weist einen ausgeschnittenen Abschnitt 49 auf, der unterhalb eines Kopfteils 50 angeordnet ist, wobei der Unterschied der Durchmesser der Abschnitte 50 und 49 den Durchlaß des geschlitzten Teils einer Scheibe 16 ermöglicht. Diese Haltescheibe 16 stützt sich auf einem Teller 22 ab, dessen oberer Abschnitt eine Zentrierung 58 aufweist, die an den Außendurchmessern der Haltescheibe 16 angepaßt ist. Im unteren Abschnitt des Tellers 22 nimmt eine Zentrierung eine Feder 20 auf, deren unterer Abschnitt sich am Boden der Ausnehmung der Zentrierung unterhalb der Bohrung 34 der Halterung 17 abstützt. Durch die Wirkung der Feder 20 wird der Teller 22, die geschlitzte Haltescheibe 16 und das Kopfteil 50 der Nadel sowie die Nadel 18 gegen den Sitz 45 gedrückt.
Außerdem stützt sich der untere Abschnitt der Buchse 4 auf der Haltescheibe 16 ab, wobei das Zusammendrücken der Halterung der Nadel 18 im Körper 1 durch das Gewinde 33 geregelt wird, um einen Spalt c zwischen der Platte 3 und dem Oberteil des Elektromagneten 12 zu erhalten. Dieser Spalt c, verringert um den zugehörigen Raum r beim Durchlaß des Kopfteils der Buchse 53 bezüglich der Außenfläche des Elektromagneten 12, stellt den Weg der Nadel 18 des Einspritzventils bezüglich ihres Sitzes 45 dar.
Die Oberteile der Platte 3 und der Buchse 4 sind derart ausgestaltet, daß sie eine Feder 5 aufnehmen, deren oberer Abschnitt eine Haltescheibe 6 aufnimmt, die sich wiederum auf einer Schraube 36 abstützt, deren Schraubweg mittels einer Bohrung 37 im oberen Abschnitt des Körpers 1 eingestellt werden kann. Die Schraube 36 ist mit einer Bohrung 38 versehen, zum Durchlaß des Brennstoffs und zur Einstellung der Schraube mittels einer geeigneten Vorrichtung. Das Oberteil des Körpers 1 weist außerdem zwei Ausnehmungen 8 auf, die auf Höhe des Gewindes 37 vorgesehen sind, so daß durch eine ständige Verformung der Böden der Ausnehmungen 8 eine Feststellung der Schraube 37 ermöglicht wird.
Die folgende Beschreibung der Funktion des Einspritzventils verdeutlicht die Rolle der oben genannten Einzelteile.
Im Ruhezustand, d. h. ohne elektrische Erregung des Elektromagneten, gelangt der Brennstoff unter Druck in den Körper 1 des Einspritzventils durch das Rohr 47, anschließend bis zum Sitz 45 der Nadel durch die Bohrungen 38 und 35 sowie diejenige der Buchse 4 und die Bohrungen 28, 57 und 40. Aufgrund des entsprechenden Abgleichs der beiden gegeneinander wirkenden Federn 20 und 5 wird die Nadel 18 auf ihren Sitz gedrückt, mit einer Kraft, die größer ist als diejenige des auf die Nadel drückenden Brennstoffs. Die entsprechenden Kräfte der beiden Federn liegen in der Größenordnung von 100 N für die Feder 20 und von 20 N für die Feder 5, wobei die Haltkraft der Nadel auf ihren Sitz ohne jegliche Schwierigkeit eine Abdichtung gegen den Brennstoffdruck vom mehr als 8 MPa (80 bar) ermöglicht.
In dieser Ruhestellung wirken als alleinige Kräfte auf das bewegliche Teil, das aus der Buchse 5 und der Platte 3 besteht, die von den beiden Federn 5 und 20 ausgeübten Kräfte, da das gesamte bewegliche Teil von allen aktiven Flächen mit der Flüssigkeit in Berührung steht und demzufolge im kompletten hydrostatischen Gleichgewicht ist. Wird die Wicklung 2 des Elektromagneten erregt und übersteigt die von ihm entwickelte Kraft die Kräfte der einander entgegenwirkenden Federn, so wird die Platte in Richtung zum Elektromagneten hingezogen. Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wirkung des unteren Abschnitts der Buchse 4 auf das Oberteil der Haltescheibe 16 die Nadel 18 des Einspritzventils frei, die sich nur unter der Wirkung der Kräfte öffnet, aufgrund des Brennstoffdrucks auf den Querschnitt der Nadel in ihrem Sitz 45. Verbleibt der Elektromagnet unter Spannung, so durchläuft die Platte 3 den Weg c-r und stützt sich auf dem Kopfteil der Buchse 53 ab, und in identischer Weise wird das Oberteil der geschlitzten Haltescheibe 16 um c-r verschoben, und das Kopfteil 50 der Nadel 18 stützt sich auf dem oberen Abschnitt der Haltescheibe 16 ab, wobei der Weg der Nadel 16 ebenfalls c-r beträgt. Wird die Versorgung der Spule des Elektromagneten unterbrochen, so verschwinden die auf die Platte 3 wirkenden elektromagnetischen Kräfte, und unter der Einwirkung der unterschiedlichen Kräfte durch die Feder 20 und 5 nimmt die geschlitzte Haltescheibe 16 ihre Ruhestellung wieder ein, wodurch die Nadel 18 sehr schnell zu ihrem Sitz 45 mittels des Kopfteils 50 zurückgeführt wird, durch Verschiebung der Platte 3 mittels der Buchse 4 in Richtung ihrer Ursprungsstellung.
Es ist sehr wichtig, auf die Besonderheit der Kräfte hinzuweisen, die auf die Nadel 18 während ihrer Bewegungen einwirken, wobei ihre Öffnung sichergestellt wird durch die hydraulischen Kräfte, die relativ gering sind. Im Fall eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weist z. B. der Sitz 45 einen Durchmesser von 2,2 mm auf, d. h. daß die auf die Nadel einwirkenden hydraulischen Kräfte 3,8 N betragen, bei einem Brennstoffdruck von 10 bar, und 30,4 N betragen bei 80 bar, wohingegen die Rückholkräfte für die Nadel ausschließlich auf den Federn beruhen und in der Größenordnung für das genannte Beispiel bei 80 N liegen, während der Elektromagnet im Einsatz eine Kraft in der Größenordnung von 200 N erzeugt. Man sieht also mit Hilfe dieser bezifferten Werte, daß in allen Fällen die Öffnungskräfte für die Nadel kleiner sind als die Schließkräfte, wodurch die Besonderheit einer langsameren Bewegung beim Öffnen als beim Schließen erzielt wird und demzufolge ein perfektes lineares Ansprechen, selbst bei sehr geringen Abgabeleistungen. Eine weitere Besonderheit des Einspritzventils ist die Art der Aufhängung der Nadel 18; wie man anhand der vorstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung sieht, wird sie überhaupt nicht geführt, bei einer erheblichen Länge L, wobei ihre Befestigung in demjenigen Abschnitt erfolgt, der den größten Abstand zum Sitz aufweist und eine Nadelführung bei diesem Aufbau entfällt, welche immer wieder sehr gut auf ihren Sitz zurückfällt, da sie an einem von diesem entfernten Punkt gezogen wird. Es sei betont, daß das oben beschriebene Ausführungsbeispiel nicht beschränkend ist und daß mit einer anderen Ausgestaltung der Haltescheibe 16 die Druckfeder 20 durch eine Zugfeder ersetzt werden kann, welche in diesem Fall an einer geeigneten Anordnung am Oberteil des Körpers 1 zu befestigen wäre, wobei diese Variante außerdem vereinfachte Einstellmöglichkeiten für die Zugfeder eröffnet, deren Wirkung gleich zu derjenigen der Feder 20 ist.

Claims

1. Elektromagnetisches Einspritzventil für einen Motor mit gesteuerter Zündung und direkter Einspritzung vom Typ Druck - Zeit, mit einem Körper (1), bestehend aus einem Kopfteil zur Befestigung eines Zufuhrrohrs (10) für unter Druck stehenden Brennstoff, einer mit einem Gewinde versehenen Engstelle (37), Bohrungen mit zunehmenden Durchmessern (35, 32, 42) und einem unteren, mit einem Gewinde versehenen Abschnitt (33) zur Aufnahme einer Halterung (17) für die Einspritzdüsennadel (18), mit einer torischen elektromagnetischen Spule (2, 12) vom massiven axialsymmetrischen Typ, die in einer Halterung (13) für den magnetischen Kreis sitzt, der in der Bohrung 42 vorgesehen ist, sowie mit einem beweglichen Teil, das aus einer ebenen Platte (3) besteht, die fest mit einer Buchse 4 verbunden ist, wobei ein Ventil (41), das fest mit der Nadel verbunden ist, in einem Sitz (45) in Schließstellung mittels einer Rückholfeder (20) gehalten wird, die über einen Teller (22) auf die Nadel wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel (18) mit dem Ventil (41) eine sich in Einspritzrichtung öffnende umgekehrte Ventilanordnung (41) bildet, daß der Teller (22) beweglich auf der Nadel (18) gelagert ist und daß die Nadel (18) freigegeben wird von der Kraft der Feder (20), durch Verschieben des beweglichen Teils, das den Teller (22) beaufschlagt, als Folge der Erregung der elektromagnetischen Spule (2, 12), wobei sich die Nadel (18) nur unter der Wirkung von Kräften öffnet, die vom Druck des Kraftstoffs auf das Ventil (45) herrühren.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel (18) über ein Kopfteil (50) mit einer Haltescheibe (16) gekuppelt ist, die sich auf dem Teller (22) abstützt, wobei sich die Haltescheibe (16) über die Rückholfeder (20) auf der Buchse (4) abstützt.

3. Einspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfteil (50) der Nadel (18) ein Ankuppelteil für diese bildet, das im Abstand von ihrem Sitz angeordnet ist und geeignet zur Vermeidung von Führungsflächen ist.