DE4105643C2 - Kraftstoffeinspritzventil und Verfahren für dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Einlaßventilen und ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Kraft­ stoffeinspritzventil.

Aus der DE-OS 38 08 396 ist ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dort ist eine elektromagnetisch betätigbare Ventilnadel in einem Ventilgehäuse verschiebbar geführt. Die Ventilnadel hat einen Dichtsitz, der auf einer im Ventilgehäuse gebildeten Ventilsitzfläche aufliegt. Stromabwärts der Ventilsitzfläche befindet sich eine Zentralöffnung, in die der Kraftstoff bei angehobener Ventilnadel einströmen kann. Von der Zentralöffnung führen Tangentialkanäle zu Drallräumen, die entweder im Ventilgehäuse oder in einer auf das Ventil­ gehäuse aufsteckbaren Vorsatzkappe ausgebildet sind. Vom Zentrum der Drallräume geht jeweils eine Bohrung aus, die durch die Vorsatzkappe verläuft und der Kraftstoffzumessung dient. Der Kraftstoff wird bei diesem Einspritzventil in den unterhalb des Ventilsitzes angeordneten Drallräumen verwirbelt und über einfache Bohrungen zu den unterschied­ lichen Einlaßventilen verteilt.

Aus der DE 87 09 111 U ist ein Einspritzventil bekannt, bei dem die Düsenöffnung aus einer kreisförmigen Zentralöffnung und diese umgebende Peripherieöffnungen gebildet wird. Die Peripherieöffnungen sind durch dreiecksförmige Führungslappen voneinander getrennt, die schräg nach innen verlaufen und die Peripherieöffnungen begrenzen. Dadurch entsteht ein Kraftstoffstrahl mit großer Oberfläche, wodurch die Ver­ dampfung des Kraftstoffes gefördert werden soll.

In dem japanischen Gebrauchsmuster JP 61-152765 ist eine Kraftstoffeinspritzung für Verbrennungsmotoren beschrieben, die jeweils für jeden Zylinder zwei Einlaßventile und einen Einlaßkanal besitzen, der sich nahe den Einlaßventilen in zwei Zweigkanäle verzweigt. Für jeden Zylinder besitzt daher die Kraftstoffeinspritzvorrichtung eine Einspritzdüsenöffnung zur Kraftstoffdosierung und einen Kraftstoffkanal, der in zwei in Strömungsrichtung unmittelbar unterhalb der Einspritzdüsenöffnung angeordnete Kraftstoffzweigkanäle aufgeteilt ist. Die Kraftstoffzweigkanäle sind bezüglich des Einspritzventils derart angeordnet, daß Kraftstoff auf beide Einlaßventile des Zylinders verteilt wird. Die Achsen der Kraftstoffzweigkanäle schneiden einander an einer Stelle, die in Strömungsrichtung oberhalb des Zu­ sammenlaufens der Wände der Kraftstoffzweigkanäle liegt. Es ist notwendig, daß die zusammenlaufenden Wände von zwei Kraftstoffzweigkanälen eine scharfe Kante bilden, so daß der Kraftstoffeinspritzwinkel stabilisiert und der Kraftstoff auf beide Kraftstoffzweigkanäle verteilt wird. Ein Problem dieser bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist, daß der zentrale Teil des zerstäubten Kraftstoffes mit den Wänden des Kraftstoffkanals dort kollidiert, wo der Kanal zusammenläuft, wenn der Kraftstoff von einer ein­ zelnen Einspritzdüsenöffnung eingespritzt und zerstäubt wird. Die von den Kanalwänden abgelenkten Tröpfchen des zerstäubten Kraftstoffes vereinigen sich mit den Tröpfchen des zerstäubten Kraftstoffes, die in die Kraftstoffzweig­ kanäle eingespritzt wurden und nicht mit den Kanalwänden in Kontakt gekommen sind. Dadurch werden größere Kraftstoff­ tröpfchen gebildet, die eine feine Zerstäubung behindern. Durch kleine Fehler in der Position (Winkel) und der Form des zusammenlaufenden Abschnitts des Kraftstoffkanals erfolgt zusätzlich eine negative Beeinflussung der Präzision der Kraftstoffverteilung und des Kraftstoffeinspritzwinkels.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftstoffeinspritz­ vorrichtung zu schaffen, die eine feine Zerstäubung und eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs auf die Einlaßventile ermöglicht, ohne eine Änderung der Einspritzmenge zu verursachen.

Weiterhin soll ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil geschaffen werden.

Die Aufgabe wird durch ein Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6 gelöst.

Der in Strömungsrichtung unterhalb der Einspritz­ düsenöffnung angeordnete Kraftstoffverteiler verteilt den durch die axiale Kraftstoffeinspritzbohrung eingespritzten Kraftstoff stetig und gleichmäßig. Infolgedessen wird eine Tropfenbildung von Kraftstoff dort verhindert, wo der Kraftstoffkanal in zwei Kraftstoff­ zweigkanäle verzweigt, wodurch die Stabilisierung der Zerstäu­ bung gefördert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Kraft­ stoffverteilers, der in eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut ist;

Fig. 2 einen Axialschnitt eines elektro­ magnetisch betätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Achse III-III von Fig. 2;

Fig. 4 und 5 vergrößerte Querschnitte der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform;

Fig. 6 der Kraftstoffverteiler in einer Ansicht von unten (vgl. Pfeil P in Fig. 2);

Fig. 6A eine Draufsicht auf den Kraft­ stoffverteiler;

Fig. 6B einen Axialschnitt entlang der Linie VIB-VIB in Fig. 6A;

Fig. 7 einen zum Schnitt in Fig. 6B identischen Schnitt, der jedoch eine Modifikation zu der in Fig. 6, 6A und 6B gezeigten Ausführung darstellt;

Fig. 8 eine grafische Darstellung der Kraftstoff­ einspritzcharakteristika von Einspritzventilen;

Fig. 9 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Her­ stellung des Adapters;

Fig. 10 einen Axialschnitt eines durch die in Fig. 9 gezeigte Vorrichtung hergestellten Adapters;

Fig. 11 eine Ansicht des in Fig. 9 gezeigten Adapters von unten.

Mit Bezug auf die Fig. 1 bis 10 wird im folgenden eine bevor­ zugte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt des elektromagnetisch betätigten Kraftstoff­ einspritzventils 1 der Erfindung. Das Kraftstoffeinspritz­ ventil 1 öffnet und schließt den zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz gebildeten Kraftstoffkanal in Abhängigkeit von elektrischen Impulssignalen mit einer durch eine Steuereinheit (nicht gezeigt) bestimmten Einschaltzeit, wodurch der eingespritzte Kraftstoff gesteuert wird. Die elektrischen Impulssignale werden der elektromagnetischen Wicklung 2 zuge­ führt. Wenn der Stromimpuls dem Elektromagneten 2 zugeführt wird, generiert der Elektromagnet einen Magnetfluß, der durch den durch den zentralen magnetischen Kern 3, das äußere zy­ lindrische Joch 4 und den Kolben 5, der axial gegenüber dem Kern 3 angeordnet ist, gebildeten magnetischen Kreis fließt. Folglich wird der Kolben 5 in Richtung des Kerns 3 gezogen, so daß das mit dem Kolben 5 einteilig ausgeführte Ventilglied 6 von der Sitzfläche 9 der Ventilführung wegbewegt wird, wodurch die Kraftstoffeinspritzöffnung 8 geöffnet wird. Das Ventilglied 6 ist gebildet durch einen Stab 10, der mit einem Ende einstückig mit einem Ende des Kolbens 5 verbunden ist, der aus magnetischem Material besteht, einer an das andere Ende des Stabs 10 angeschweißten oder einstückig mit dem Stab 10 aus­ gebildeten Kugel 11 und einem Führungsring 12, der aus nicht­ magnetischem Material hergestellt und an einem oberen, offenen Ende des Kolbens 5 befestigt ist. Während der Kolbenbewegung wird das Ventilglied 6 durch die äußere Oberfläche des Füh­ rungsrings 12 und durch die innere Umfangsfläche des Kraft­ stoffverwirbelungselements 13 geführt, das in die innere Umfangsfläche des Ventilmundstücks 7 eingesetzt und daran befestigt ist. Die Bewegung des Ventilglieds 6 wird durch den Abstand zwischen einer Flanschfläche 10a des Stabs 10 und einem Stopper 14 begrenzt.

Das Ventilmundstück 7 besitzt einen Zylinderabschnitt 15, der sich von der Sitzfläche 9 weg erstreckt. Ein Kraftstoffverteiler 16 ist an die innere Um­ fangsfläche des Zylinderabschnitts 15 befestigt.

Fig. 3 zeigt das Kraftstoffverwirbelungselement 13, das der Öffnung 8 einen verwirbelten Kraftstoffvolumenstrom zuführt. Das Kraftstoffverwirbelungselement 13 besitzt Axialnuten 13a und Radialnuten 13b, sowie eine Zentralbohrung. In der gezeig­ ten Ausführungsform sind die Axialnuten 13a durch die Flächen des Elements 13 gebildet, die der inneren Umfangsfläche der Ventilführung 7 gegenüberliegen, die gegenüber den D-förmigen Zwischenräumen angeordnet ist, wie aus dieser Figur ersicht­ lich. Der Kraftstoff wird durch die Axialnuten 13a und die Radialnuten 13b in die Zentralbohrung des Kraftstoffverwirbe­ lungselements 13 eingebracht, wobei die Radialnuten 13b den Kraftstoff exzentrisch in die Zentralbohrung lenken, d. h. der Kraftstoff wird auf Punkte gerichtet, die bezüglich der Achse der Zentralbohrung versetzt sind. Folglich wird ein Drall auf den zur Öffnung 8 in der Ventilführung 7 zuge­ führten Kraftstoff ausgeübt. Der Drall ist durch eine Veränderung des Betrags L der Exzentrizität oder Ver­ schiebung einstellbar.

Die Fig. 6, 6A und 6B zeigen den Kraftverteiler 16.

Der Verteiler 16 besitzt einen axialen, zentralen Kraftstoff­ kanal, der durch einen Einlaßbereich 16a mit einer geringfügig größeren Breite als der Durchmesser der Öffnung 8 und durch einen Auslaßbereich 16b mit einer geringfügig kleineren Breite als der Durchmesser der Öffnung 8 gebildet ist. Der Verteiler 16 besitzt weiterhin zwei Kraftstoffkanäle 17 mit großem Durchmesser, die zum Einlaßbereich 16a parallel sind und mit diesem radial in Ver­ bindung stehen, wobei deren Achsen jeweils den gleichen Ab­ stand von der Achse des Einlaßbereichs 16a besitzen. Der Einlaß­ bereich 16a ist durch kontinuierlich gebogene Wände 18 gebil­ det, die mit den inneren Umfangswänden der Kanäle 17 zusammen­ laufen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen, wie die Einsspritzstrahlen erzeugt werden. Der Kraftstoffstrom wird in einer ersten Ebene, die durch die Achsen der beiden in Fig. 4 gezeigten Kraftstoffkanäle 17 verläuft, mit einem Winkel Θ₁ aufgeweitet. In einer zur ersten Ebene senkrechten zweiten Ebene wird der Kraftstoffstrom mit einem kleineren Winkel Θ₂ aufgeweitet, wie in Fig. 5 gezeigt. Ferner wird dem Kraftstoff oberhalb der Spritzöffnung durch das Wirbelelement 13 eine Drallströmung aufgezwungen, und er fließt, nachdem er durch den Zwischenraum zwischen der Kugel 11 und der Sitzfläche 9 der Ventilführung 7 dosiert wird, durch die Öffnung 8 in den Verteiler 16 ein. Da der Einlaßbereich 16a des zentralen Kraftstoffkanals des Adapters 16 eine geringfügig größere Breite besitzt als der Durchmesser der Öffnung 8, wird die durch die Öffnung 8 zerstäubte und eingespritzte Kraftstoffmenge durch den Adapter 16 nicht behindert.

Der aufgeweitete Strom des zerstäubten und eingespritzten Kraftstoffs neigt zur Kollision mit der Umfangswand des Einlaß­ bereichs 16a. In der gezeigten Ausführungsform wird der Kraftstoff jedoch in zwei Richtungen in die zwei Kanalbohrungen 17 verteilt, entlang den durchgehenden Wänden 18, die mit weichen Ubergängen mit den Umfangswänden der Kanalbohrungen 17 verbunden sind. Mit D₀ als Durchmesser der Öffnung 8, D als Breite des Einlaßbereichs 16a und d als Breite des Auslaßbereichs 16b, und deren Auswahl zu D₀<D und D<d, ist es möglich, den Kraftstoffstrahl in zwei Rich­ tungen stabil zu verteilen.

In dem Fall D<D₀ würde der durch die Öffnungsbohrung 8 mit dem Durchmesser D₀ dosierte Kraftstoff behindert. Wenn die Breite D jedoch wesentlich größer gewählt wird als der Durchmesser D₀, wird die Drallwirkung reduziert, so daß der Verteilungswinkel des zerstäubten Kraftstoffs in beide Richtungen und die Größe der zerstäubten Kraftstofftröpfchen negativ beeinflußt wird. Vorzugsweise kann die Breite D zu D = 1.1 D₀ bestimmt werden.

In der beschriebenen Ausführungsform wird der Anteil der Kraftstofftröpfchen im Bereich der Achse des Einspritzventils reduziert, so daß die eingespritzte Kraftstoffmenge gezielt den Motoreinlaßventilen zugeführt wird. Dadurch ist es in effektiver Weise möglich, einem Motor zerstäubten Kraftstoff in einer Menge zuzuführen, die eine gute Motorsteuerung erlaubt.

Anders ausgedrückt bedeutet die Tatsache, daß der in den Bereich um die Achse des Einspritzventils eingespritzte Anteil an Kraftstoff reduziert wird, daß bei Motoren mit zwei Einlaßventilen der Anteil von Kraftstoff, der mit der zwischen den Einlaßventilen angeordneten Wand kolli­ diert, wesentlich verringert wird, so daß eine bessere Ver­ mischung des zerstäubten Kraftstoffs mit Luft gewährleistet wird. Dies führt zu einer starken Verminderung der Ansprech­ verzögerung während Übergangsphasen des Motorbetriebs.

Weiterhin ist das beschriebene Kraftstoffeinspritzventil in der Lage, den Kraftstoff zu feinen Tröpfchen zu zerstäuben, in etwa gleichwertig mit dem bekannten "Upstream-Swirl"- Kraftstoffeinspritzventil, so daß eine effektive Maßnahme zur Reduzierung von schädlichen Abgaskomponenten, wie etwa Kohlenwasserstoffe, aufgezeigt ist.

Die Breite des Einlaßbereichs 16a des Adapters 16 kann passend zu den gewünschten Sprühwinkeln Θ₁ und Θ₂ und dem zu erreichenden Verteilungszustand eingestellt werden.

Fig. 7 zeigt eine andere günstige Ausführungsform. Vorzugsweise wird die Breite D zum Beispiel etwa 1,1-1,5mal größer als der Durchmesser D₀ der Öffnung 8 gewählt. In der in Fig. 6B gezeigten Ausführungs­ form erstreckt sich der Einlaßbereich 16a mit der Breite D über eine gewisse Länge und ist mit einem konischen Abschnitt verbunden, der mit einem geraden Auslaßbereich 16b mit dem Durchmesser d verbunden ist. In der in Fig. 7 ge­ zeigten Ausführungsform ist der Kraftstoffkanal kontinuier­ lich konisch ausgehend von dem Einlaß 16a mit der Breite D bis zu dem Auslaß 16b mit der Breite d. In jedem Fall muß die Konstruktion derart sein, daß sie den aus der Öffnung 8 gesprühten Kraftstoff nicht hemmt.

Der Zerstäubungszustand des Kraftstoffs wird mittels Fig. 8 beschrieben. Wenn die Breite D des Einlaßbereiches 16a gleich der Breite d des Auslaßbereichs 16b ist, so ist die verteilte und in jede der beiden Richtungen gesprühte Kraftstoffmenge 4 cm³/min, und die in den zentralen Bereich gesprühte Kraftstoffmenge ist vergleichsweise groß. Das bedeutet, daß die Kraftstoffverteilung in beide Rich­ tungen unbefriedigend ist. Die Verteilung von Kraftstoff in beide Richtungen wird erfindungsgemäß dadurch verbessert, daß der Auslaßbereich 16b auf eine Breite d beschränkt wird, die 1/5 der Breite D des Einlaßbereichs beträgt, wobei die in den zentralen Bereich gesprühte Kraftstoffmenge reduziert wird, wodurch ein "Ab­ tropfen" des Kraftstoffs in dem zentralen Bereich verhin­ dert wird.

Im folgenden wird ein Herstellungsverfahren der Kraftstoff­ kanalbohrungen des Adapters 16 unter Bezug auf die Fig. 9 bis 11 beschrieben.

Ein oberer Stanzstempel 102 wird vertikal bewegbar entlang Führungsstiften 101 auf einen unteren Stanzstempel 100 ge­ setzt. Eine Stützplatte 103 ist an dem unteren Stanzstempel 100 befestigt. Eine Führungsplatte 104 ist an die Stütz­ platte 103 montiert.

Ein Nebenführungsstift 106 zur Begrenzung des Dornhubs und ein Dorn 107 sind an die untere Seite des oberen Stanzstem­ pels 102 durch eine Dornhalteplatte 102a befestigt.

Die Bezugsziffer 108 kennzeichnet eine Druckfeder, die um einen Führungsstift 109 herum angeordnet ist und sich zwischen der Dornhalteplatte 102a und einem Abstreifer 110, der den Dorn 107 und den Nebenführungsstift 106 führt, er­ streckt.

In Betrieb wird ein Verteilerrohling 161 mit einer darin ein­ geformten Durchgangsöffnung 16a und 17 auf der Stützplatte 103 positioniert. Der Verteilerrohling 161 ist üblicherweise aus rostfreiem Stahl hergestellt, da der Verteiler während dem Gebrauch in Kontakt mit Verbrennungsgasen des Motors kommt. Anschließend wird der Dorn gesenkt, bis ein Stopper wirksam wird. Das Senken des Dorns 107 wird gewöhnlich durch eine Steuerung des oberen Stanzstempels vollzogen. Als Ergebnis wird der zentrale Bereich einer Endfläche des Verteilers 161 an zwei diametralen Stellen außerhalb der axialen Spritzbohrung des Rohlings durch zwei runde Dornstifte des Dorns 107 plastisch verformt. Folglich werden Ausnehmungen 105 mit mehreren Millimetern Tiefe in die End­ fläche des Verteilerrohlings 161 eingeformt. Das Material des Rohlings 16 wird dabei gleichzeitig plastisch radial nach innen, in Bereichen nahe den Ausnehmungen 105, zur Reduzie­ rung der Breite eines Endes der axialen Zentralbohrung des Rohlings 161 auf ungefähr 1/5 der Breite D, wie in Fig. 10 gezeigt, verformt, um eine im wesentlichen die Form einer "8" aufweisende Öffnung in der Endfläche des Verteiler­ rohlings 161 zu bilden.

Claims (7)

1. Kraftstoffeinspritzventil (1) für eine Brenn­ kraftmaschine mit wenigstens zwei Einlaßventilen, mit

• - einem Ventilmundstück (7), das einen Ventilsitz (9) und eine in Strömungsrichtung unterhalb des Ventilsitzes (9) angeordnete Spritzöffnung (8) aufweist,
• - einem dem Ventilsitz (9) zugeordneten, axial beweglichen und elektromagnetisch betätigten Ventilglied (6),
• - einem dem Ventilmundstück (7) zugeordneten Verwirbelungs­ element (13) zum Erzeugen von drallförmigen Einspritzstrahlen und
• - einem der Spritzöffnung (8) nachgeordneten Kraft­ stoffverteiler (16), welcher die Einspritzstrahlen den Einlaßventilen zuordnet,

dadurch gekennzeichnet,
daß das Verwirbelungselement (13) oberhalb des Ventil­ sitzes (9) angeordnet ist,
daß der Kraftstoffverteiler (16) eine 8-förmige Durchgangs­ öffnung (17, 18) mit einem in der Achse der Spritzöffnung (8) angeordneten engen Mittelbereich aufweist, und
daß der Querschnitt dieses Mittelbereichs sich in Auslaßrichtung verjüngt, wobei die Breite D des Mittelbereichs an der Einlaßseite (16a) größer als die Breite d des Mittelbereichs an der Auslaßseite (16b) und auch größer als der Druchmesser D₀ der Spritzöffnung (8) ist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Breite D des Mittelbereichs an der Einlaßseite (16a) 1,1- bis 1,5mal größer als der Durchmesser D₀ der Spritzöffnung (8) ist.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite d des Mittelbereichs an der Auslaßseite (16b) ein Fünftel der Breite D des Mittelbereichs an der Einlaßseite (16a) beträgt.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelbereich der Öffnung (17, 18) im Kraft­ stoffverteiler (16) von der Einlaßseite (16a) und von der Auslaßseite (16b) einwärts verlaufende gerade Ab­ schnitte aufweist, die über einem konischen Zwischenabschnitt miteinander verbunden sind.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelbereich der Öffnung (17, 18) im Kraft­ stoffverteiler (16) von der Einlaßseite (16a) bis zur Auslaßseite (16b) kontinuierlich zusammenläuft.

6. Herstellung eines Kraftstoffverteilers (16) für ein Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite d an der Auslaßseite der Durchgangsöffnung dadurch hergestellt wird, daß ein Kraftstoffverteilerrohling an diesem Bereich plastisch verformt wird, wobei mit einem Stempel (107) gleichzeitig zwei gegen­ überliegende Stellen (105) des Kraftstoffverteilerrohlings im Bereich der Durchgangs­ öffnung eingepreßt werden.