DE4023688A1 - Kraftstoffeinspritzduese - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei solchen Einspritzdüsen ist ein prellfreies Schließen der Ventilnadel von wesentlicher Bedeutung, da als Folge solcher Preller sich die HC-Werte im Abgas verschlechtern und überschwingende Ventilnadelbewegungen ein Durchblasen von Verbrennungsgasen in das Ventilinnere ermöglichen, wodurch die engen Zumeßquerschnitte verkoken können. Als Folge einer solchen Verkokung tritt ein erhöhtes Verbrennungs­ geräusch und eine Verschlechterung der Gemischbildung ein.

Um solche Prellschwingungen der Ventilnadel zu vermeiden, hat man bei einer bekannten Kraftstoffeinspritzdüse der eingangs genannten Art (DE 31 07 160 C2) das Magnetsystem als Permanentmagnet oder Elektromagnet ausgebildet, der in einem mit dem Düsenkörper durch eine Überwurfmutter verbundenen Düsenhalter koaxial zur Ventilnadel eingesetzt ist. An dem vom Ventilsitz abgekehrten Ende der Ventilnadel ist eine Halteplatte aus Weicheisen befestigt, die bei in Schließstellung der Ventilnadel geschlossener Düsenöffnung mit Luftspaltbreite vor der Polfläche des Permanent- oder Elektromagneten liegt. Durch diese Ausbildung des Magnetsystems wird auf die Ventilnadel in deren Schließrichtung eine zusätzliche magnetische Haltekraft aufgebracht, die in der Schließposition der Ventilnadel am größten ist und mit zunehmendem Öffnungshub der Ventilnadel stark abfällt. Durch diese magnetische Haltekraft wird die prellneigung der Ventilnadel reduziert.

Allerdings ist bei größeren Nadel-Kräften eine zusätzliche Dämpfung durch eine weitere Zusatzmasse erforderlich, wozu hier jeweils ein Dämpfungskolben für die Öffnungsbewegung und für die Schließbewegung der Ventilnadel vorgesehen ist. Der Dämpfungskolben für die Nadelöffnungsbewegung wird über an diesem angeordneten Nasen von der Halteplatte bei der Öffnungsbewegung der Ventilnadel entgegen Federkraft mitgenommen. Im Innern des Dämpfungskolbens für die Nadelöffnungsbewegung ist ein Dämpfungskolben für die Nadelschließbewegung verschiebbar angeordnet, der unter der Wirkung einer in Nadelöffnungsrichtung wirkenden Vorspannfeder an einer Schulter im Dämpfungskolben für die Nadelöffnungsbewegung anliegt. Bei der Schließbewegung der Ventilnadel nimmt diese den Dämpfungskolben für die Nadelschließbewegung gegen die Kraft der Vorspannfeder mit, wodurch sich eine durch die Masse des Dämpfungskolbens, die Vorspannung der Vorspannfeder und durch die hydraulische Wirkung der Flüssigkeitsverdrängung bestimmte gedämpfte Schließbewegung der Ventilnadel ergibt. Der Dämpfungskolben für die Nadelöffnungsbewegung folgt unmittelbar dieser Schließbewegung, so daß bei Erreichen des Ventilsitzes durch die Ventilnadel auch dieser Dämpfungskolben seine obere Anschlagposition erreicht. Da dieser Dämpfungskolben mit seinen Haltenasen in dem Sekundenbruchteil auf die Halteplatte auftrifft, in welchem die Ventilnadeln mit Halteplatte sonst eine in Richtung Öffnen gerichtete erste Prellbewegung ausführen würde, wird eine solch mögliche Prellneigung der Ventilnadel sicher unterbunden.

Das bekannte Magnetsystem mit Feder-Massesystem zur Unterdrückung des Prellens der Ventilnadel ist konstruktiv relativ aufwendig und erfordert auch einen recht großen freien Bauraum in der Einspritzdüse zu dessen Unterbringung.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß eine gleich gute Dämpfungswirkung gegen Prellen der Ventilnadel durch eine wesentlich einfachere Düsenkonstruktion erreicht wird. Das gesamte Prelldämpfungssystem für die Schließbewegung der Ventilnadel besteht aus nur zwei kleinen Permanentmagneten und einem dazwischen liegenden Luftspalt, in dem die einander entgegengerichteten Magnetkräfte der beiden Permanentmagnete bei Annäherung der Ventilnadel an den Ventilsitz als Bremskraft wirken. Zusätzlich wirkt der Luftspalt zwischen den polflächen der Permanentmagnete als Kissen, dessen Dämpfungswirkung auf die Ventilnadel der Ventilnadelgeschwindigkeit proportional ist. Der in Schließstellung der Ventilnadel verbleibende Restluftspalt resultiert aus der Größe der an der Ventilnadel angreifenden Schließkraft und aus der Größe der zwischen den Permanentmagneten sich ausbildenden, der Schließkraft entgegengerichteten Abstoßkraft, die von der Spaltbreite abhängig ist. Dabei muß sichergestellt sein, daß die Ventilnadel noch mit einer ausreichend hohen Kraft an den Ventilsitz angedrückt wird, damit ein zuverlässiges und sicheres Schließen der Einspritzdüse gewährleistet ist.

Die konstruktive Gestaltung des erfindungsgemäßen Prelldämpfungssystems begünstigt die Miniaturisierung der Kraftstoffeinspritzdüse und ist absolut verschleißfrei.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Kraftstoffeinspritzdüse möglich.

Eine besonders einfache konstruktive Gestaltung läßt sich bei einer Kraftstoffeinspritzdüse mit nach außen öffnender Ventilnadel realisieren. Hier sind die Permanentmagnete an dem von dem Ventilsitz abgekehrten Ende der Ventilnadel miteinander fluchtend angeordnet, wobei der eine Permanentmagnet an der Ventilnadel angekoppelt ist und an deren Hubbewegung teilnimmt und der andere Permanentmagnet an dem Düsenhalter sitzt und damit räumlich feststeht. Beide Permanentmagnete sind koaxial angeordnet und liegen sich mit Polflächen gleicher Polarität gegenüber.

Für eine Modulbauweise der Kraftstoffeinspritzdüse ist es von Vorteil, den Düsenkörper mit darin geführter Ventilnadel und den die Kraftstoffzulaufbohrung enthaltenen Einspritzmodulator in getrennten Bauteilen auszubilden. In diesem Fall wird zweckmäßiger Weise im Einspritzmodulator ein vom Einspritzdruck beaufschlagtes Kupplungsglied vorgesehen, das beim Zusammenbau automatisch das Ventilnadelende übergreift und somit den in Öffnungsrichtung der Ventilnadel wirkenden Einspritzdruck auf die Ventilnadel überträgt. Bei einer solchen Modulbauweise der Kraftstoffeinspritzdüse wird gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung der eine Permanentmagnet im Kupplungsglied und der andere Permanentmagnet im Düsenhalter befestigt, und zwar derart, daß die Permanentmagnete einander fluchtend gegenüberliegen. Die Kupplung ist dabei nur dynamisch wirksam und es besteht kein mechanischer Kontakt zwischen dem Einspritzmodulator und dem Hauptventil im Düsenkörper.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung einen Längsschnitt einer Kraftstoffeinspritzdüse.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in der Zeichnung im Längsschnitt dargestellte Kraftstoff­ einspritzdüse weist einen Düsenkörper 10 auf, der mittels einer Überwurfmutter 11 an einem etwa becherförmigen Düsengehäuse 12 stirnseitig festgespannt ist. Das Düsengehäuse 12 ist auf einem Düsenhalter 13 aufgeschraubt, der ins Innere des Düsengehäuses 12 hineinragt und dort an seinem freien Stirnende einen einstückigen, durchmesserkleineren Führungszapfen 14 trägt. Im Düsenhalter 13 ist eine Kraftstoffzulaufbohrung 15 eingebracht, die über schräg verlaufende Kanäle 16 im Bereich der Wurzel des Führungszapfens 14 im Innern des Düsengehäuses 12 münden. Die Kraftstoffzulaufbohrung 15 ist mit einer hier nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzpumpe zu verbinden, die in die Kraftstoffzulaufbohrung 15 unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoff fördert.

Der zweiteilig ausgebildete Düsenkörper 10 besteht aus einem hohlzylindrischen Mantelteil 101 und einem das Mantelteil 101 stirnseitig abschließenden, einen Ventil­ körper bildenden Einsatzstück 102, das weit über die Hälfte der axialen Länge des Mantelteils 101 in dieses hineinragt. Das Einsatzstück 102 hat eine zentrale Führungsbohrung 17 für eine Ventilnadel 18, an der endseitig ein Schließkopf 19 ausgebildet ist, der mit einem am Einsatzstück 102 des Düsenkörpers 10 ausgebildeten Ventilsitz 20 zusammenwirkt. Die gegenüber der Führungsbohrung 17 durchmesserkleinere Ventilnadel 18 ist mittels zweier durchmessergrößerer Gleitabschnitte 21, 22 in der Führungsbohrung 17 axial verschieblich geführt, die eine Ventilnadelführung bilden. In dem vom unteren Gleitabschnitt 21 und dem Schließkopf 19 begrenzten Abschnitt der Führungsbohrung 17 mündet eine im Einsatzstück 102 verlaufende Schrägbohrung 23, die eine Verbindung des genannten Abschnitts der Führungsbohrung 17 zum Innern des Mantelteils 101 herstellt. Nahe des zweiten Gleitabschnittes 22 ist auf der Ventilnadel 18 ein Federteller 24 für eine Schließfeder 25 abgestützt, die sich mit ihren anderen Stirnende an einen am Einsatzstück 102 anliegenden Federteller 28 abstützt. Durch die Vorspannung dieser Schließfeder 25 wird der Schließkopf 19 der Ventilnadel 18 auf den Ventilsitz 20 aufgepreßt.

Die Ventilnadel 18 durchdringt eine im Boden des becherförmigen Düsengehäuses 12 eingebrachte Verbindungsbohrung 27 und ragt in das Innere des Düsengehäuses 12 hinein. Dort wird die Ventilnadel 18 im Bereich ihres Endabschnitts von einer Kupplungshülse 28 mit geringem Radialspiel übergriffen. Die Kupplungshülse 28 ist in einer zentralen, mit der Ventilnadel 18 koaxialen Führungsbohrung 29 im Boden eines etwa kappenförmigen Dämpfungszylinders 30 axial verschieblich geführt und trägt im Innern des Dämpfungszylindern 30 eine radial nach außen vorstehende ringförmige Mitnehmerschulter 31 für den auf dem Führungszapfen 14 am Düsenhalter 13 gleitend sitzenden Dämpfungszylinder 30. Der Dämpfungszylinder 30 wird von einer Vorspannfeder 32, die sich am Boden des Düsengehäuses 12 und an einer ringförmigen Schulter des Dämpfungszylinders 30 abstützt, gegen den Düsenhalter 13 angedrückt, so daß der Dämpfungszylinder 30 entgegen der Öffnungsbewegung der Ventilnadel 18 vorgespannt ist. Im Dämpfungszylinder 30 sind Öffnungen 33 für den Kraftstoffzufluß ins Innere des Dämpfungszylinders 30 vorgesehen.

Auf der im Innern des Dämpfungszylinders 30 liegenden Stirnseite der Kupplungshülse 28 ist ein im Querschnitt etwa T-förmiger Kupplungskopf 34 aufgesetzt, der mit seinem durchmesserkleineren Mittelteil 341 formschlüssig in die Kupplungshülse 28 hineinragt und mit seinem durchmessergrößeren Querteil 342 an der Stirnseite der Kupplungshülse 28 anliegt. In dem Kupplungskopf 34 ist ein Permanentmagnet 35 mit in Achsrichtung der Ventilnadel 18 verlaufender Magnetisierungsrichtung eingesetzt, wobei die eine Stirnseite des Permanentmagneten 35 in etwa mit der Stirnseite des Kupplungskopfes 34 bündig ist. Gegenüberliegend ist in einer zur Ventilnadel 18 koaxialen Ausnehmung 36 im Führungszapfen 14 des Düsenhalters 13 ein zweiter gleichartiger Permanentmagnet 37 eingesetzt, und zwar so, daß seine Magnetisierungsrichtung der des Permanentmagneten 35 genau entgegengesetzt ist. Damit liegen die beiden Permanentmagnete 35, 37 einander unter Belassung eines Luftspaltes 38 mit Polflächen gleicher Polarität gegenüber, so daß zwischen ihnen eine von der Luftspaltbreite abhängige Abstoßkraft besteht. Die Abstoßkraft ist kleiner bemessen als die Schließkraft der Schließfeder 25, damit die Ventilnadel 18 in Schließstellung ausreichend fest auf den Ventilsitz 20 aufgepreßt ist. In der Schließstellung der Ventilnadel 18 beträgt die Spaltbreite s des Luftspaltes 38 etwa 0,3-0,5 mm. Die axiale Länge des in die Kupplungshülse 28 hineinragenden Mittelteils 341 des Kupplungskopfes 34 ist so bemessen, daß in der Schließstellung der Ventilnadel 18 die Stirnseiten von Ventilnadel 18 und Kupplungskopf 34 spaltfrei einanderliegen. In dieser Stellung hat die Mitnehmerschulter 31 an der Kupplungshülse 28 immer einen definierten Abstand a von dem Boden des kappenförmigen Dämpfungszylinders 30.

Die beschriebene Kraftstoffeinspritzdüse arbeitet wie folgt:
Die Kraftstoffzulaufbohrung 15 im Düsenhalter 13, das Düsengehäuse 12 und das Innere des Düsenkörpers 10 ist mit Kraftstoff gefüllt, der über die Schrägbohrung 23 am Schließkopf 19 der Ventilnadel 18 ansteht. Zu Beginn eines Einspritzvorgangs steigt der Kraftstoffdruck soweit an, daß die vom Kraftstoffdruck auf den Kupplungskopf 34 ausgeübte Verschiebekraft die Kraft der Schließfeder 25 übersteigt. Über den Kupplungskopf 34 wird die Ventilnadel 18 nach unten verschoben, wobei ihr Schließkopf 19 vom Ventilsitz 20 nach außen abhebt und einen entsprechenden Austrittsquerschnitt für den Kraftstoff freigibt. Mit Abwärtsbewegung des Kupplungskopfes 34 wird auch die Kupplungshülse 28 verschoben, die über ihre Mitnehmerschulter 31 den Dämpfungszylinder 30 entgegen der Kraft der Vorspannfeder 32 mitnimmt. Entsprechend der Vorspannung der Vorspannfeder 32 und der Masse des Dämpfungszylinder 30 wird die Öffnungsbewegung der Ventilnadel 18 gedämpft.

Mit Wegfall des Einspritzdruckes am Ende des Einspritzvorgangs treibt die Schließfeder 25 über den Federteller 24 die Ventilnadel 18 zur Schließbewegung an. Der mit der Ventilnadel 18 verbundene Permanentmagnet 35 bewegt sich auf den anderen Permanentmagneten 37 zu, wobei eine in der Größe anwachsende Bremskraft auf die Ventilnadel 18 wirkt. Außerdem wirkt der in der Spaltbreite abnehmende Luftspalt 38 zwischen den beiden Permanentmagneten 35, 37, dämpfend auf die Ventilnadel 18, wobei die Dämpfung der Ventilnadelgeschwindigkeit proportional ist. Insgesamt wird dadurch erreicht, daß der Schließkopf 19 nicht mit großer Geschwindigkeit auf den Ventilsitz 20 aufschlägt und dadurch die Ventilnadel 18 infolge Prellens eine Bewegungsumkehr erfährt, sondern daß die Ventilnadel 18 kurz vor Auftreffen des Schließkopfes 19 auf den Ventilsitz 20 stark gebremst wird. Gleichzeitig mit der Rückbewegung der Ventilnadel 18 wird synchron die Kupplungshülse 28 zurückgeführt, wobei der Dämpfungszylinder 30 von der Vorspannfeder 32 bis zu seinem Anschlag am Düsenhalter 13 zurückgeschoben wird.

Claims (9)

1. Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einer in einem Düsenkörper axial verschieblichen Ventilnadel, die mit einem am Düsenkörper ausgebildeten Ventilsitz zum Freigeben und Schließen einer Düsenöffnung zusammenwirkt und durch unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoff im Sinne der Freigabe der Düsenöffnung und durch eine Schließfeder im Sinne des Schließens der Düsenöffnung beaufschlagt ist, und mit einem bei der Schließbewegung der Ventilnadel wirksamen Prelldämpfer, der ein auf die Ventilnadel wirkendes Magnetsystem enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem aus zwei Permanentmagneten (35, 37) besteht, von denen der eine an der Hubbewegung der Ventilnadel (18) teilnimmt und der andere ortsfest gehalten ist, und daß die beiden Permanentmagnete (35, 37) mit einander entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung derart angeordnet sind, daß bei in Schließstellung sich befindlicher Ventilnadel (18) zwischen ihren Polflächen gleicher Polarität ein Restluftspalt (38) vorgegebener Spaltbreite (s) besteht.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreite (s) etwa 0,3-0,5 mm beträgt.

3. Düse nach Anspruch 1 oder 2 mit bei Öffnungsbewegung vom Ventilsitz nach außen abhebender Ventilnadel, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Permanentmagnet (35) an dem vom Ventilsitz (20) abgekehrten Ende der Ventilnadel (18) angeordnet und der zweite Permanentmagnet (37) an einem mit dem Düsenkörper (10) verbundenen Düsenhalter (13) zu dem ersten Permanentmagneten (35) fluchtend befestigt ist.

4. Düse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Permanentmagnet (35) in einem Kupplungsglied (28, 34) befestigt ist, das mit der Ventilnadel (18) fluchtet und diese an deren vom Ventilsitz (20) abgekehrtem Ende übergreift, und daß das Kupplungsglied (28, 34) von unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff beaufschlagt ist.

5. Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsglied aus einer Kupplungshülse (28) und einem T-förmigen Kupplungskopf (34) besteht, der mit seinem durchmesserkleineren Mittelzapfen (341) in die Kupplungshülse (28) hineinragt und mit seinem durchmessergrößeren Querteil (342) an der Stirnseite der Kupplungshülse (28) anliegt, daß das vom Ventilsitz (20) abgekehrte Ventilnadelende mit geringem Radialspiel in der Kupplungshülse (28) aufgenommen ist und daß die axiale Länge des Mittelzapfens (342) so bemessen ist, daß bei in Schließstellung befindlicher Ventilnadel (18) die Stirnflächen von Ventilnadel (18) und Mittelzapfen (341) spaltlos aneinanderliegen.

6. Düse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungshülse (28) eine Führungsbohrung (29) im Boden eines kappenförmigen Dämpfungszylinders (30) durchdringt und eine radial vorstehende Mitnehmerschulter (31) trägt, die sich bei in Schließstellung befindlicher Ventilnadel (18) mit definiertem Abstand (a) vor dem Kappenboden des Dämpfungszylinders (30) befindet, und daß der Dämpfungszylinder (30) am Düsenhalter (13) geführt und von einer Dämpfungsfeder (32) entgegen der Richtung der Öffnungsbewegung der Ventilnadel (18) belastet ist.

7. Düse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungszylinder (30) im Bereich des Kupplungskopfes (34) radiale Durchtrittsöffnungen (33) für den Kraftstoffluß trägt.

8. Düse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (10) mittels einer Überwurfmutter (11) stirnseitig an einem von der Ventilnadel (18) durchstoßenen becherartigen Düsengehäuse (12) festgespannt ist, in dessen Inneren das Kupplungsglied (28, 34) mit Dämpfungszylinder (30) und Dämpfungsfeder (32) aufgenommen ist, daß das Düsengehäuse (12) auf dem Düsenhalter (13) aufgeschraubt ist, der ins Innere des Düsengehäuses (12) hineinragt und eine dort mündende Kraftstoffzulaufbohrung (15) aufweist, und daß der Düsenhalter (13) an seinem freien Ende einen durchmesserkleineren Führungszapfen (14) trägt, auf dem der Dämpfungszylinder (30) gleitend sitzt und in dessen Stirnende der eine Permanentmagnet (37) eingesetzt ist.

9. Düse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dämpfungsfeder (32) einerseits an einem ringförmigen Absatz am Dämpfungszylinder (30) und andererseits am Grund des becherförmigen Düsengehäuses (12) abstützt.