EP1200728B1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

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EP1200728B1
EP1200728B1 EP00949152A EP00949152A EP1200728B1 EP 1200728 B1 EP1200728 B1 EP 1200728B1 EP 00949152 A EP00949152 A EP 00949152A EP 00949152 A EP00949152 A EP 00949152A EP 1200728 B1 EP1200728 B1 EP 1200728B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
closing body
seat
fuel injection
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP00949152A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1200728A1 (de
Inventor
Joerg Heyse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1200728A1 publication Critical patent/EP1200728A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1200728B1 publication Critical patent/EP1200728B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/061—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means
    • F02M51/0625—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures
    • F02M51/0632—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures having a spherically or partly spherically shaped armature, e.g. acting as valve body
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M51/0625—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures
    • F02M51/0664—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures having a cylindrically or partly cylindrically shaped armature, e.g. entering the winding; having a plate-shaped or undulated armature entering the winding
    • F02M51/0667—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures having a cylindrically or partly cylindrically shaped armature, e.g. entering the winding; having a plate-shaped or undulated armature entering the winding the armature acting as a valve or having a short valve body attached thereto
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/10—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/162—Means to impart a whirling motion to fuel upstream or near discharging orifices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S239/00—Fluid sprinkling, spraying, and diffusing
    • Y10S239/90—Electromagnetically actuated fuel injector having ball and seat type valve

Definitions

  • the invention is based on a fuel injection valve according to the preamble of the main claim.
  • the Injection valve is designed such that the entire Pressure drop substantially drops at spray holes, the downstream of a valve seat, with which a spherical Valve-closing body cooperates, are arranged. Of the Valve-closing body is in a dead space between the valve seat and the spray holes in the flow direction of the fuel arranged opening. With a pestle is the Valve closing body with closed valve against the Valve seat pressed. The ram has the same diameter as the valve seat and is always in the closing direction of the constant System pressure of the fuel applied. About a channel in the Valve housing, the fuel from the plunger is spaced from fed down the valve closing body, in this way can perform an opening movement of the valve seat lifting.
  • the flow direction of the fuel at the valve seat is the same the closing movement of the valve closing body or the Valve needle.
  • the fuel is on the upstream side of the valve seat with a Pressure on, which acts in the closing direction of the valve, so that the fuel when opening the valve against the Opening direction of the valve needle acts.
  • the fuel injection valve according to the invention with the Characteristic features of the main claim has the Advantage that it is particularly easy and inexpensive can be produced. Advantageously, only a few Items needed, each individually very easy to manufacture and subsequently easy to install.
  • the fuel injection valve according to the invention can by the simplified nesting of all components be easily handled during assembly. It is only two solid and pressure-tight connections needed already proper functioning of the injector to guarantee.
  • valve closing body and the valve seat body are designed such that at Excitation of the actuator, the opening movement of the Valve closing body due to the concern of system pressure at the downstream side of the valve closing body at closed valve is fuel pressure assisted.
  • the Valve is designed to be a hydraulic Opening force is generated, so that, for example, a for Control needed power amplifier with less energy than previously usual can be operated, which in turn the Injection valve with lower starting currents is operable.
  • valve closing body and Valve seat body in the fuel volume downstream of the Sealing seat no negative pressure, since no volume increase caused by the needle movement.
  • no negative pressure since no volume increase caused by the needle movement.
  • the needle movement when opening an increase in volume caused the small quantity linearity and the Significantly improve atomization at the start of injection.
  • the valve closing body is fixed and pressure-tight with a fuel flow inside Needle sleeve connected.
  • the needle sleeve is again fixed and pressure-tightly connected to a valve housing, wherein the Axialmony of the valve closing body thereby allows is that the needle sleeve sections resiliently is trained. It is advantageous if the Needle sleeve its function of a compression spring by a helically folded spring section met.
  • the low moving mass of the needle sleeve and the Valve-closing body allows a quick opening and Close the injection valve, so that the switching times of the Injector can be shortened even further.
  • an atomizer disk downstream of the valve seat very easy in the valve body integrated, since a radial inflow into such Atomizer disk through the structural design of the Valve seat body and the associated flow guidance is favored.
  • the constructive design of the invention pressure compensated valve member consisting of needle and Valve-closing body and the low mass of this valve member allow a relatively small magnetic circuit, causing the Dimensions of the entire injector kept small can be.
  • FIG. 1 shows a inward opening fuel injector in section
  • Figure 2 is a plan view of a valve seat body.
  • Fuel injection valve is a so-called Injector opening, especially as High pressure injector for direct injection of Fuel in the combustion chamber of a mixture-compressing spark ignition internal combustion engine is suitable.
  • the fuel injection valve is a so-called top-feed injection valve executed, by which is meant that one upper inlet end of the injection valve on the opposite side to a lower discharge side End of the injector is executed.
  • the inlet side End of the injection valve forms a tubular Connecting piece 1.
  • a fuel filter 3 is arranged, through which the fuel enters.
  • the connecting piece 1 is in the region of a radial extending shoulder 4 with a sleeve-shaped Valve housing 5 firmly connected, wherein the connecting piece. 1 ultimately also represents a part of the valve housing.
  • the Valve housing 5 has a jacket portion 6 and a Floor section 7 on. In the bottom section 7 is e.g. a central outlet opening 9 is provided, via which the Fuel is injected directly into a combustion chamber.
  • the actuation of the fuel injection valve takes place, for example. electromagnetically. This is within the valve housing. 5 a magnetic coil 8 is arranged, wherein for receiving the Magnet coil 8 provided coil space radially outward through the skirt portion 6 of the valve housing 5 and upwards is limited by the shoulder 4 of the connecting piece 1.
  • the valve housing 5 serves as a valve seat carrier and the Receiving a valve seat body 10.
  • the valve seat body 10th has a e.g. frusto-conical valve seat surface 13, with a part-spherical valve closing body 14 for Forming a sealing seat interacts.
  • the valve closing body 14 close to the valve seat surface 13, so that the valve closed is.
  • the injection valve is in excited state shown in which the valve closing body 14 in a position raised from the valve seat surface 13 position is present.
  • valve closing body 14 For axial movement of the valve closing body 14 along a valve longitudinal axis 15 and thus to open against the Spring force of a trained as a bellows and firmly with the valve closing body 14 connected needle sleeve 16 or
  • Closing the injector serves the electromagnetic Circle with the magnetic coil 8, a first inner pole part 18, a second outer pole part 19 and also as Magnetic anchor serving valve closing body 14.
  • the needle sleeve 16 does not provide an axially movable valve needle conventional sense, as they are as a resilient component is executed, the at its the valve closing body 14th opposite end fixed to the valve housing 5 and connected to the connecting piece 1.
  • the connecting piece 1 and the fuel filter. 3 flowing fuel flows further downstream an inner opening of an adjusting sleeve 20, the Adjusting the spring force of acting as a return spring Needle sleeve 16 is used to close the injector.
  • the e.g. in the connecting piece 1 pressed adjusting sleeve 20th for this purpose abuts directly on a fold of the needle sleeve 16.
  • the fuel then flows through the needle sleeve 16 in axial direction up to the valve closing body 14, the an inner through hole 22 has.
  • the in the area the valve closing body 14 no longer folded, but Cylindrically shaped needle sleeve 16 extends through the Through-hole 22 e.g. axial almost completely and is with the valve closing body 14 at the outlet opening.
  • the fuel Downstream of the through hole 22 of the Valve-closing body 14, the fuel collects in one by a trough-shaped recess 21, in which the frusto-conical valve seat surface 13 leaking, formed Cavity 24 of the valve seat body 10. From the cavity 24th starting from the flow happens when open Injection valve then formed narrow gap between the Valve-closing body 14 and the valve seat surface 13. In this flow region is at least partially Flow reversal of the fuel before, in addition to a radial flow component an axial flow component added to the axial flow direction of Connecting piece 1 directed to the cavity 24 opposite is like the arrows in the area of the sealing seat clarify. In this way can be with the Fuel pressure and the fuel flow direction Supported opening operations of the injection valve realize.
  • a fuel flow is up to at least one, for example three on the outer periphery the valve seat body 10 provided flats 25, the as plan ground surfaces between itself and the shell section 6 of the valve housing 5 flow channels 26 form.
  • a valve seat body 10 as Single component shown in a plan view.
  • the Valve seat body 10 has by its three flats 25th a largely triangular shape, with the order each 120 ° away transition areas 27th between the flats 25 on the circumference of the valve seat body 10 have a circular outer contour.
  • the Transition regions 27 allow centered insertion of the Valve seat body 10 in the valve housing. 5
  • FIG. 1 is a three-layer atomizing disk 29 indicated schematically, the e.g. produced by multilayer electroplating.
  • These Atomizing disk 29 has, for example, in a middle Level multiple swirl channels 32, which in a central Swirl chamber 33 open.
  • the swirling in this way Fuel emerges from one in a lower level provided outlet opening 34 of the atomizer disk 29 from.
  • In the outlet 34 concentrates while the Fuel mainly in the vicinity of the wall, while in the Center forms an air core.
  • the exiting, ring-shaped closed liquid film thus spreads hollow conical in space.
  • multilayer swirl disks are also completely different or produced spray perforated disks or atomizer disks used.
  • valve housing 5 In the valve housing 5 is the Atomizer disk 29 in a recess provided for this purpose 35 of the bottom portion 7 inserted. After that, the Valve seat body 10 is inserted into the valve housing 5. Of the Valve seat body 10 is located with its bottom 30 on the Atomizing disc 29 on and so sets the height of the radial Inflow region for the atomizer disk 29 fixed. On the Top 37 of the valve seat body 10 is a Spacer 38 placed only in the three Transition regions 27 rests on the valve seat body 10. The spacer 38 is used with a specific thickness for Setting the stroke of the valve closing body 14 is formed. The flow channels 26 are through the spacer 38 so covered in their outdoor areas that the fuel can flow freely into it.
  • the needle sleeve 16 is made, for example, by deep drawing Made of spring steel. Which perform a spring effect Fold the needle sleeve 16 are introduced by in the Sleeve a mold is inserted, which is a Screw resembles and with its thread on the Sleeve inner wall rests. By increasing the Ambient pressure in a pressure chamber and sealing the Sleeve inside against the overpressure implodes the sleeve and assumes the outer shape of the helical tool. This tool can then be like a screw out of the Needle sleeve 16 are turned out.
  • the Sleeve be produced by plastic injection molding, wherein the Plastic must have permanently consistent elasticity.
  • the needle sleeve 16 has the function of a compression spring, the Valve closure member 14 against the valve seat surface 13 in non-energized state in the closed position of Injection valve presses.
  • the needle sleeve 16 is despite low wall thickness and therefore low weight because of folded or thread-like shape very stable and stiff against the internal fuel pressure.
  • the first pole part 18 is so far in the valve housing 5 inserted until it rests on the second pole part 19.
  • the solenoid 8 is in this way in all directions surrounded by the two pole pieces 18, 19. With a bent sleeve end 40 is the needle sleeve 16 on the first pole piece 18. On this preassembled valve part is subsequently set the connection piece 1, which with his shoulder 4 on the sleeve end 40 and indirectly on the first pole 18 comes to rest. After that, that will be Valve housing 5 and the connecting piece 1 tight and tight by attaching a weld 42 together connected. The weld 42 must be designed in such a way that the needle sleeve 16 pressure-tight with the Connecting piece 1 is connected. After this attachment is the adjusting sleeve 20 in the connecting piece. 1 brought in. Subsequently, the fuel filter 3 used and a sealing ring 44 on the connecting piece. 1 postponed.
  • valve closing body 14 presses the valve closing body 14 against the valve seat surface thirteenth
  • the fuel is under the upstream of the sealing seat System pressure.
  • the flow cavities downstream of the Sealing seat are pressureless filled with fuel.
  • a Sealing the pressure-free area against the pressurized area is affected by the pressure-tight Connecting the needle sleeve 16 both with the Valve-closing body 14 and with the connection piece. 1 reached.
  • the clamping area between valve housing 5, Valve seat body 10 and atomizer disk 29 does not have to be absolutely pressure-tight, because only when open Injector pressure is applied and then the flow directly the way through the flow openings in the Atomizer disk 29 because of the low Flow resistance decreases.
  • the part-spherical valve closing body 14 has on its the valve seat surface 13 facing away from a ground face 45, perpendicular to Valve longitudinal axis 15 runs.
  • the as magnet armature functioning valve closing body 14 is when energizing the Solenoid 8 from the valve seat surface 13 to an am first pole portion 18 provided stop surface 46 is pulled.
  • the path between the two end positions (stop surface 46, valve seat surface 13) of the valve closing body 14 provides thus the hub dar.
  • the stroke can be influenced. At the Opening the injector arises in the fuel volume downstream of the sealing seat no negative pressure, since no Volume increase caused by the needle movement.
  • the Small quantity linearity and atomization at the start of injection improve.
  • the low moving mass of the needle sleeve 16 and the valve closing body 14 allows a quick opening and closing the injector.
  • the Inventive fuel injector inside flowed through the valve closing body 14 has.
  • fuel occurs near the valve longitudinal axis 15 to the downstream end of the valve closing body 14, so that with the valve closed on the downstream side of the Valve closing body 14 immediately upstream of the Valve seat 13 System pressure applied.
  • a Hydraulic opening force generated by the Opening operation of the valve is fuel pressure assisted.
  • valve seat body 10 can also be used as a flat seat be formed so that a fuel flow of the flowed through inside valve seat body 14 from only radially to outwards without axial flow component takes place. Also in In this case, the opening movement of the. Valve closing body 14 fuel pressure assisted since turn the system pressure at the bottom of the Valve closing body 14 with the valve closed before Valve seat 13 is applied.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der DE 27 55 400 A1 ist bereits ein elektromagnetisches Einspritzventil bekannt, das in Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen einsetzbar ist. Dieses Einspritzventil zeichnet sich durch relativ kurze Einspritzzeiten aus. Das Einspritzventil ist derart ausgebildet, dass das gesamte Druckgefälle im wesentlichen an Spritzlöchern abfällt, die stromabwärts eines Ventilsitzes, mit dem ein kugelförmiger Ventilschließkörper zusammenwirkt, angeordnet sind. Der Ventilschließkörper ist in einem Totraum zwischen dem Ventilsitz und den Spritzlöchern in Strömungsrichtung des Kraftstoffs öffnend angeordnet. Mit einem Stößel wird der Ventilschließkörper bei geschlossenem Ventil gegen den Ventilsitz gedrückt. Der Stößel hat den gleichen Durchmesser wie der Ventilsitz und ist in Schließrichtung stets vom konstanten Systemdruck des Kraftstoffs beaufschlagt. Über einen Kanal im Ventilgehäuse wird der Kraftstoff vom Stößel beabstandet von unten dem Ventilschließkörper zugeführt, der auf diese Weise eine Öffnungsbewegung vom Ventilsitz abhebend vollführen kann.
Aus der DE 38 43 862 A1 ist bereits ein elektromagnetisch betätigbares Ventil als Brennstoffeinspritzventil bekannt, das als sogenanntes innenöffnendes Einspritzventil ausgeführt ist. Das Ventil wird durch einen erregbaren Elektromagneten betätigt, wobei zum Öffnen und Schließen des Ventils ein kugelförmiger Ventilschließkörper mit einem festen Ventilsitz zusammenwirkt. Wird die Magnetspule des Elektromagneten bestromt, so wird über einen an einer axial beweglichen Ventilnadel befestigten Anker eine Anzugsbewegung erzeugt, die den ebenfalls zur Ventilnadel gehörenden Ventilschließkörper vom Ventilsitz abhebt, so dass das Ventil geöffnet ist. Das zwischen dem Anker und dem Ventilschließkörper angeordnete Verbindungsglied der Ventilnadel ist dabei federelastisch ausgebildet.
Wie bei allen innenöffnenden Brennstoffeinspritzventilen ist die Strömungsrichtung des Brennstoffs am Ventilsitz gleich der Schließbewegung des Ventilschließkörpers bzw. der Ventilnadel. Bei geschlossenem Ventil liegt der Brennstoff auf der stromaufwärtigen Seite des Ventilsitzes mit einem Druck an, der in Schließrichtung des Ventils wirkt, so dass der Brennstoff beim Öffnen des Ventils gegen die Öffnungsrichtung der Ventilnadel wirkt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass es besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist. In vorteilhafter Weise werden nur wenige Einzelteile benötigt, die jeweils für sich gesehen sehr einfach herstellbar und nachfolgend einfach montierbar sind. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil kann durch das vereinfachte Ineinanderstecken sämtlicher Bauteile während der Montage leicht gehandhabt werden. Es sind nur zwei feste und druckdichte Verbindungen nötig, um bereits eine einwandfreie Funktionsweise des Einspritzventils zu garantieren.
Von besonderem Vorteil ist es, dass der Ventilschließkörper und der Ventilsitzkörper derart gestaltet sind, dass bei Erregung des Betätigungselements die Öffnungsbewegung des Ventilschließkörpers aufgrund des Anliegens von Systemdruck an der stromabwärtigen Seite des Ventilschließkörpers bei geschlossenem Ventil brennstoffdruckunterstützt ist. Das Ventil ist so ausgeführt, dass eine hydraulische Öffnungskraft erzeugt wird, so dass beispielsweise eine zur Ansteuerung benötigte Endstufe mit weniger Energie als bisher üblich betrieben werden kann, wodurch wiederum das Einspritzventil mit geringeren Anzugsströmen betreibbar ist. Außerdem verkürzen sich in vorteilhafter Weise die Schaltzeiten des Einspritzventils.
Beim Öffnen des Einspritzventils entsteht durch die erfindungsgemäße Ausbildung von Ventilschließkörper und Ventilsitzkörper im Brennstoffvolumen stromabwärts des Dichtsitzes kein Unterdruck, da keine Volumenvergrößerung durch die Nadelbewegung verursacht wird. Auf diese Weise lassen sich gegenüber bekannten Ventilen, bei denen durch die Nadelbewegung beim Öffnen eine Volumenvergrößerung verursacht wird, die Kleinmengenlinearität und die Zerstäubung bei Spritzbeginn deutlich verbessern.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
In vorteilhafter Weise ist der Ventilschließkörper fest und druckdicht mit einer innen brennstoffdurchströmten Nadelhülse verbunden. An ihrem dem Ventilschließkörper gegenüberliegenden Ende ist die Nadelhülse wiederum fest und druckdicht mit einem Ventilgehäuse verbunden, wobei die Axialbewegung des Ventilschließkörpers dadurch ermöglicht wird, dass die Nadelhülse abschnittsweise federelastisch ausgebildet ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Nadelhülse ihre Funktion einer Druckfeder durch einen schraubenförmig gefalteten Federabschnitt erfüllt.
Die geringe bewegte Masse der Nadelhülse und des Ventilschließkörpers ermöglicht ein schnelles Öffnen und Schließen des Einspritzventils, so dass die Schaltzeiten des Einspritzventils noch weiter verkürzt werden können.
In vorteilhafter Weise ist eine Zerstäuberscheibe stromabwärts des Ventilsitzes sehr einfach im Ventilgehäuse integrierbar, da ein radiales Einströmen in eine solche Zerstäuberscheibe durch die bauliche Ausführung des Ventilsitzkörpers und der damit verbundenen Strömungsführung begünstigt wird.
Die erfindungsgemäße konstruktive Gestaltung des druckausgeglichenen Ventilteils bestehend aus Nadelhülse und Ventilschließkörper und die geringe Masse dieses Ventilteils erlauben einen relativ kleinen Magnetkreis, wodurch die Abmessungen des gesamten Einspritzventils klein gehalten werden können.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein innenöffnendes Brennstoffeinspritzventil im Schnitt und Figur 2 eine Draufsicht auf einen Ventilsitzkörper.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Bei dem in Figur 1 beispielhaft dargestellten Brennstoffeinspritzventil handelt es sich um ein sogenanntes innenöffnendes Einspritzventil, das besonders als Hochdruckeinspritzventil zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine geeignet ist.
Das Brennstoffeinspritzventil ist als sogenanntes Top-Feed-Einspritzventil ausgeführt, womit gemeint ist, dass ein oberes zulaufseitiges Ende des Einspritzventils auf der entgegengesetzten Seite zu einem unteren abspritzseitigen Ende des Einspritzventils ausgeführt ist. Das zulaufseitige Ende des Einspritzventils bildet ein rohrförmiger Anschlussstutzen 1. In einer Strömungsöffnung 2 des Anschlussstutzens 1 ist ein Brennstofffilter 3 angeordnet, durch den der Brennstoff tritt.
Der Anschlussstutzen 1 ist im Bereich einer radial verlaufenden Schulter 4 mit einem hülsenförmigen Ventilgehäuse 5 fest verbunden, wobei der Anschlussstutzen 1 letztlich auch einen Teil des Ventilgehäuses darstellt. Das Ventilgehäuse 5 weist einen Mantelabschnitt 6 und einen Bodenabschnitt 7 auf. Im Bodenabschnitt 7 ist z.B. eine zentrale Austrittsöffnung 9 vorgesehen, über die der Brennstoff unmittelbar in einen Brennraum eingespritzt wird.
Die Betätigung des Brennstoffeinspritzventils erfolgt z.B.. elektromagnetisch. Dazu ist innerhalb des Ventilgehäuses 5 eine Magnetspule 8 angeordnet, wobei der zur Aufnahme der Magnetspule 8 vorgesehene Spulenraum radial nach außen durch den Mantelabschnitt 6 des Ventilgehäuses 5 und nach oben hin durch die Schulter 4 des Anschlussstutzens 1 begrenzt ist.
Das Ventilgehäuse 5 dient als Ventilsitzträger auch der Aufnahme eines Ventilsitzkörpers 10. Der Ventilsitzkörper 10 weist eine z.B. kegelstumpfförmige Ventilsitzfläche 13 auf, mit der ein teilkugelförmiger Ventilschließkörper 14 zur Bildung eines Dichtsitzes zusammenwirkt. Im nichterregten Zustand des Einspritzventils liegt der Ventilschließkörper 14 dicht an der Ventilsitzfläche 13 an, so dass das Ventil geschlossen ist. In Figur 1 ist das Einspritzventil im erregten Zustand dargestellt, in dem der Ventilschließkörper 14 in einer von der Ventilsitzfläche 13 abgehobenen Stellung vorliegt.
Zur axialen Bewegung des Ventilschließkörpers 14 entlang einer Ventillängsachse 15 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer als Faltenbalg ausgebildeten und fest mit dem Ventilschließkörper 14 verbundenen Nadelhülse 16 bzw.
Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 8, einem ersten inneren Polteil 18, einem zweiten äußeren Polteil 19 und dem auch als Magnetanker dienenden ventilschließkörper 14. Die Nadelhülse 16 stellt keine axial bewegliche Ventilnadel im herkömmlichen Sinne dar, da sie als federndes Bauteil ausgeführt ist, das an seinem dem Ventilschließkörper 14 gegenüberliegenden Ende fest mit dem Ventilgehäuse 5 bzw. mit dem Anschlussstutzen 1 verbunden ist.
Der den Anschlussstutzen 1 und den Brennstofffilter 3 durchströmende Brennstoff durchfließt weiter stromabwärts eine innere Öffnung einer Einstellhülse 20, die zum Einstellen der Federkraft der als Rückstellfeder wirkenden Nadelhülse 16 zum Schließen des Einspritzventils dient. Die z.B. im Anschlussstutzen 1 eingepresste Einstellhülse 20 liegt dazu unmittelbar an einer Falte der Nadelhülse 16 an. Der Brennstoff durchströmt nachfolgend die Nadelhülse 16 in axialer Richtung bis hin zum Ventilschließkörper 14, der eine innere Durchgangsbohrung 22 aufweist. Die im Bereich des Ventilschließkörpers 14 nicht mehr gefaltete, sondern zylindrisch ausgebildete Nadelhülse 16 durchragt die Durchgangsbohrung 22 z.B. axial fast vollständig und ist mit dem Ventilschließkörper 14 an dessen der Austrittsöffnung 9 zugewandten Ende fest verbunden, wobei die feste und dichte Verbindung durch eine mittels eines Lasers erzielte umlaufende Schweißnaht 23 erzeugbar ist. Alternativ können die Nadelhülse 16 und der Ventilschließkörper 14 druckdicht miteinander verklebt oder verlötet sein. Außerdem ist auch eine Presspassung zwischen beiden Teilen 14 und 16 mit einer an der Nadelhülse 16 vorgesehenen Anschlagschulter, bis zu der der Ventilschließkörper 14 aufpressbar ist, denkbar.
Stromabwärts der Durchgangsbohrung 22 des Ventilschließkörpers 14 sammelt sich der Brennstoff in einem durch eine muldenförmige Vertiefung 21, in der die kegelstumpfförmige Ventilsitzfläche 13 ausläuft, gebildeten Hohlraum 24 des Ventilsitzkörpers 10. Von dem Hohlraum 24 ausgehend passiert die Strömung bei geöffnetem Einspritzventil den dann gebildeten engen Spalt zwischen dem Ventilschließkörper 14 und der Ventilsitzfläche 13. In diesem Strömungsbereich liegt zumindest eine teilweise Strömungsumkehr des Brennstoffs vor, da zusätzlich zu einer radialen Strömungskomponente eine axiale Strömungskomponente hinzukommt, die der axialen Strömungsrichtung vom Anschlussstutzen 1 bis zum Hohlraum 24 entgegen gerichtet ist, wie dies die Pfeile im Bereich des Dichtsitzes verdeutlichen. Auf diese Weise lassen sich mit dem Brennstoffdruck und der Brennstoffströmungsrichtung unterstützte Öffnungsvorgänge des Einspritzventils realisieren.
In radialer Richtung erfolgt eine Brennstoffströmung bis hin zu wenigstens einer, beispielsweise drei am äußeren Umfang des Ventilsitzkörpers 10 vorgesehenen Abflachungen 25, die als plan geschliffene Flächen zwischen sich und dem mantelabschnitt 6 des Ventilgehäuses 5 Strömungskanäle 26 bilden. In Figur 2 ist ein solcher Ventilsitzkörper 10 als Einzelbauteil in einer Draufsicht dargestellt. Der Ventilsitzkörper 10 besitzt durch seine drei Abflachungen 25 eine weitgehend dreikantförmige Gestalt, wobei die um jeweils 120° entfernt liegenden Übergangsbereiche 27 zwischen den Abflachungen 25 am Umfang des Ventilsitzkörpers 10 eine kreisförmige Außenkontur besitzen. Die Übergangsbereiche 27 erlauben ein zentriertes Einsetzen des Ventilsitzkörpers 10 in das Ventilgehäuse 5.
Aus den axial durchströmten Strömungskanälen 26 kommend gelangt der Brennstoff z.B. in eine radial angeströmte Zerstäuberscheibe 29, die zwischen einer Unterseite 30 des Ventilsitzkörpers 10 und dem Bodenabschnitt 7 des Ventilgehäuses 5 eingeklemmt ist. In Figur 1 ist eine dreilagige Zerstäuberscheibe 29 schematisch angedeutet, die z.B. mittels Multilayergalvanik hergestellt ist. Diese Zerstäuberscheibe 29 weist beispielsweise in einer mittleren Ebene mehrere Drallkanäle 32 auf, die in eine zentrale Drallkammer 33 münden. Der auf diese Weise drallbehaftete Brennstoff tritt aus einer in einer unteren Ebene vorgesehenen Auslassöffnung 34 der Zerstäuberscheibe 29 aus. In der Auslassöffnung 34 konzentriert sich dabei der Brennstoff hauptsächlich in Wandungsnähe, während sich im Zentrum ein Luftkern bildet. Der austretende, ringförmig geschlossene Flüssigkeitsfilm breitet sich somit hohlkegelförmig im Raum aus. Anstelle von Multilayer-Drallscheiben sind auch völlig anders ausgestaltete bzw. hergestellte Spritzlochscheiben bzw. Zerstäuberscheiben einsetzbar.
Im folgenden soll die Montage des Brennstoffeinspritzventils näher beschrieben werden. In das Ventilgehäuse 5 wird die Zerstäuberscheibe 29 in einer dafür vorgesehenen Vertiefung 35 des Bodenabschnitts 7 eingelegt. Danach wird der Ventilsitzkörper 10 in das Ventilgehäuse 5 eingeschoben. Der Ventilsitzkörper 10 liegt mit seiner Unterseite 30 auf der Zerstäuberscheibe 29 auf und legt so die Höhe des radialen Zuströmbereichs für die Zerstäuberscheibe 29 fest. Auf die Oberseite 37 des Ventilsitzkörpers 10 wird eine Distanzscheibe 38 gelegt, die nur in den drei Übergangsbereichen 27 auf dem Ventilsitzkörper 10 aufliegt. Die Distanzscheibe 38 wird mit einer spezifischen Dicke zum Einstellen des Hubs des Ventilschließkörpers 14 ausgebildet. Die Strömungskanäle 26 werden durch die Distanzscheibe 38 so in ihren Außenbereichen abgedeckt, dass der Brennstoff ungehindert in sie einströmen kann.
Nachfolgend wird das einen Magnetbügel mit einem L-förmigen Querschnitt darstellende zweite Polteil 19 in das Ventilgehäuse 5 bis zur Anlage an der Distanzscheibe 38 eingeschoben. In das Polteil 19 wird die Magnetspule 8 eingelegt. Das Polteil 19 weist an seinem radial verlaufenden Schenkel eine Führungsöffnung 39 auf, die der Führung des Ventilschließkörpers 14 während seiner Axialbewegung dient. Danach werden das aus Nadelhülse 16 und Ventilschließkörper 14 bestehende Ventilteil sowie das erste Polteil 18, das ebenfalls als Magnetbügel einen L-förmigen Querschnitt aufweist, in das Ventilgehäuse 5 eingesetzt.
Die Nadelhülse 16 wird beispielsweise durch Tiefziehen aus Federstahl hergestellt. Die eine Federwirkung ausübenden Falten der Nadelhülse 16 werden eingebracht, indem in die Hülse ein Formwerkzeug eingelegt wird, welches einer Schraube ähnelt und mit seinem Gewinde an der Hülseninnenwandung anliegt. Durch Erhöhung des Umgebungsdrucks in einer Druckkammer und Abdichten des Hülseninneren gegen den Überdruck implodiert die Hülse und nimmt die Außenform des schraubenartigen Werkzeugs an. Dieses Werkzeug kann dann wie eine Schraube aus der Nadelhülse 16 herausgedreht werden. Alternativ kann die Hülse per Kunststoffspritzguss hergestellt werden, wobei der Kunststoff dauerhaft gleichbleibende Elastizität haben muss. Die Nadelhülse 16 hat die Funktion einer Druckfeder, die den Ventilschließkörper 14 gegen die Ventilsitzfläche 13 im nichterregten Zustand in die Schließstellung des Einspritzventils drückt. Die Nadelhülse 16 ist trotz geringer Wanddicke und damit geringem Gewicht wegen der gefalteten bzw. gewindeartigen Gestalt sehr stabil und steif gegen den innen anliegenden Brennstoffdruck.
Das erste Polteil 18 wird im Ventilgehäuse 5 so weit eingeschoben, bis es auf dem zweiten Polteil 19 aufliegt.
Die Magnetspule 8 ist auf diese Weise in allen Richtungen von den beiden Polteilen 18, 19 umgeben. Mit einem abgeknickten Hülsenende 40 liegt die Nadelhülse 16 auf dem ersten Polteil 18 auf. Auf dieses vormontierte Ventilteil wird nachfolgend der Anschlussstutzen 1 gesetzt, der mit seiner Schulter 4 auf dem Hülsenende 40 und indirekt auf dem ersten Polteil 18 zur Anlage kommt. Danach werden das Ventilgehäuse 5 und der Anschlussstutzen 1 fest und dicht durch das Anbringen einer Schweißnaht 42 miteinander verbunden. Die Schweißnaht 42 muss derart ausgeführt sein, dass auch die Nadelhülse 16 druckdicht mit dem Anschlussstutzen 1 verbunden ist. Nach dieser Befestigung wird die Einstellhülse 20 in den Anschlussstutzen 1 eingebracht. Im Anschluss wird der Brennstofffilter 3 eingesetzt und ein Dichtring 44 auf den Anschlussstutzen 1 aufgeschoben.
Bei geschlossenem Einspritzventil drückt die Nadelhülse 16 den Ventilschließkörper 14 gegen die Ventilsitzfläche 13. Der Brennstoff steht stromaufwärts des Dichtsitzes unter Systemdruck. Die Strömungshohlräume stromabwärts des Dichtsitzes sind drucklos mit Brennstoff gefüllt. Eine Abdichtung des drucklosen Bereichs gegen den druckbeaufschlagten Bereich wird durch das druckdichte Verbinden der Nadelhülse 16 sowohl mit dem Ventilschließkörper 14 als auch mit dem Anschlussstutzen 1 erreicht. Der Klemmbereich zwischen Ventilgehäuse 5, Ventilsitzkörper 10 und Zerstäuberscheibe 29 muss nicht absolut druckdicht sein, da nur bei geöffnetem Einspritzventil Druck anliegt und dann die Strömung direkt den Weg durch die Strömungsöffnungen in der Zerstäuberscheibe 29 wegen des geringen Strömungswiderstandes nimmt.
Der teilkugelförmige Ventilschließkörper 14 besitzt auf seiner der Ventilsitzfläche 13 abgewandten Seite eine angeschliffene Stirnfläche 45, die senkrecht zur Ventillängsachse 15 verläuft. Der als Magnetanker fungierende Ventilschließkörper 14 wird beim Bestromen der Magnetspule 8 von der Ventilsitzfläche 13 bis zu einer am ersten Polteil 18 vorgesehenen Anschlagfläche 46 gezogen. Der Weg zwischen den beiden Endstellungen (Anschlagfläche 46, Ventilsitzfläche 13) des Ventilschließkörpers 14 stellt somit den Hub dar. Durch unterschiedliche Dicken der Distanzscheibe 38 kann der Hub beeinflusst werden. Beim Öffnen des Einspritzventils entsteht im Brennstoffvolumen stromabwärts des Dichtsitzes kein Unterdruck, da keine Volumenvergrößerung durch die Nadelbewegung verursacht wird. Auf diese Weise lassen sich gegenüber bekannten Ventilen, bei denen durch die Nadelbewegung beim Öffnen eine Volumenvergrößerung verursacht wird, die Kleinmengenlinearität und die Zerstäubung bei Spritzbeginn verbessern. Die geringe bewegte Masse der Nadelhülse 16 und des Ventilschließkörpers 14 ermöglicht ein schnelles Öffnen und Schließen des Einspritzventils.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil einen innen durchströmten Ventilschließkörper 14 besitzt. Auf diese Weise tritt Brennstoff nahe der Ventillängsachse 15 bis an das stromabwärtige Ende des Ventilschließkörpers 14, so dass bei geschlossenem Ventil an der stromabwärtigen Seite des Ventilschließkörpers 14 unmittelbar stromaufwärts des Ventilsitzes 13 Systemdruck anliegt. An der stromaufwärtigen Seite des Ventilschließkörpers 14, z.B. im Bereich der Stirnfläche 45, liegt keine hydraulische Schließlast an. Durch diese hydraulische Druckverteilung wird eine hydraulische Öffnungskraft erzeugt, durch die der Öffnungsvorgang des Ventils brennstoffdruckunterstützt ist.
Die Strömungsumkehr im Hohlraum 24 mit einer Strömungsrichtung unmittelbar vor dem Ventilsitz 13 mit einer axialen, in Öffnungsrichtung des Ventils wirkenden Strömungskomponente bewirkt eine weitere Unterstützung der Öffnungsbewegung des Ventilschließkörpers 14. Der Ventilsitzkörper 10 kann jedoch auch als Flachsitz ausgebildet sein, so dass eine Brennstoffströmung von dem innen durchströmten ventilsitzkörper 14 aus nur radial nach außen hin ohne axiale Strömungskomponente erfolgt. Auch in diesem Fall ist die Öffnungsbewegung des. Ventilschließkörpers 14 brennstoffdruckunterstützt, da wiederum der Systemdruck an der Unterseite des Ventilschließkörpers 14 bei geschlossenem Ventil vor dem Ventilsitz 13 anliegt.

Claims (13)

  1. Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer Ventillängsachse (15), mit einem erregbaren Betätigungselement (8, 18, 19), mit einem axial entlang der Ventillängsachse (15) bewegbaren Ventilschließkörper (14), der zum Öffnen und Schließen des Ventils mit einem an einem Ventilsitzkörper (10) ausgebildeten festen Ventilsitz (13) zusammenwirkt, und mit wenigstens einer stromabwärts des Ventilsitzes (13) vorgesehenen Austrittsöffnung (9), wobei der Ventilschließkörper (14) und der Ventilsitzkörper (10) derart gestaltet sind, dass die Öffnungsbewegung des Ventilschließkörpers (14) brennstoffdruckunterstützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsbewegung des Ventilschließkörpers (14) von der Austrittsöffnung (9) weg und die Schließbewegung des Ventilschließkörpers (14) zu der Austrittsöffnung (9) hin gerichtet ist und der Ventilschließkörper (14) eine innere Durchgangsbohrung (22) aufweist, durch die Brennstoff in einer Richtung strömt, die entgegengesetzt der Öffnungsbewegung des Ventilschließkörpers (14) ist.
  2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzkörper (10) derart ausgeführt ist, dass stromaufwärts des Ventilsitzes (13) zwischen dem Ventilschließkörper (14) und dem Ventilsitzkörper (10) ein Hohlraum (24) gebildet ist, von dem aus der Brennstoff zum Ventilsitz (13) hin strömt und dabei eine radiale Strömungskomponente nach außen hin hat.
  3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzkörper (10) derart ausgeführt ist, dass stromaufwärts des Ventilsitzes (13) zwischen dem Ventilschließkörper (14) und dem Ventilsitzkörper (10) ein Hohlraum (24) gebildet ist, von dem aus der Brennstoff zum Ventilsitz (13) hin strömt und dabei zusätzlich zu einer radialen Strömungskomponente eine axiale Strömungskomponente in Richtung der Öffnungsbewegung des Ventilschließkörpers (14) hat.
  4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (14) teilkugelförmig ausgebildet ist.
  5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (14) fest und druckdicht mit einer Nadelhülse (16) verbunden ist, die brennstoffdurchströmt ist.
  6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelhülse (16) eine innere Durchgangsbohrung (22) des Ventilschließkörpers (14) wenigstens teilweise durchragt und in dieser befestigt ist.
  7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelhülse (16) an ihrem dem Ventilschließkörper (14) gegenüberliegenden Ende fest und druckdicht mit einem Ventilgehäuse (1, 5) verbunden ist, und die Axialbewegung des Ventilschließkörpers (14) dadurch ermöglicht wird, dass die Nadelhülse (16) abschnittsweise federelastisch ausgebildet ist.
  8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der federelastische Abschnitt der Nadelhülse (16) schraubenförmig gefaltet ist.
  9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzkörper (10) eine mittlere muldenförmige Vertiefung (21) besitzt, an die sich in Strömungsrichtung eine kegelstumpfförmige Ventilsitzfläche (13) anschließt.
  10. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzkörper (10) als Flachsitz ausgebildet ist.
  11. Brennstoff einspritzventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzkörper (10) ohne innere Strömungsöffnungen ausgestaltet ist, so dass der axiale Brennstoffströmungsweg in Richtung zur Austrittsöffnung (9) ausschließlich am äußeren Umfang des Ventilsitzkörpers (10) gebildet ist.
  12. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzkörper (10) eine von einer Kreisform abweichende Außenkontur mit wenigstens einer einen Strömungsweg freigebenden Abflachung (25) hat.
  13. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzkörper (10) eine weitgehend dreikantförmige Gestalt mit drei Abflachungen (25) hat.
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