EP1309789B1

EP1309789B1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: EP1309789B1
Application number: EP01955273A
Authority: EP
Inventors: Klaus Noller; Uwe Liskow; Martin Buehner; Guido Pilgram; Juergen Maier; Hartmut Albrodt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2006-01-04
Anticipated expiration: 2021-07-20
Also published as: CN1388861A; US6808134B2; JP2004506127A; WO2002012709A1; DE50108625D1; JP4646180B2; DE10039078A1; CN1253656C; CZ20021250A3; KR20020037067A; EP1309789A1; US20030047160A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bereits aus der US 4,766,405 ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das einen mit einer Ventilnadel verbundenen Ventilschließkörper, der mit einer an einem Ventilsitzkörper ausgebildeten Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, aufweist. Zur elektromagnetischen Betätigung des Brennstoffeinspritzventils ist eine Magnetspule vorgesehen, die mit einem Anker zusammenwirkt, der mit der Ventilnadel kraftschlüssig verbunden ist. Um den Anker und die Ventilnadel ist eine zusätzliche Masse zylinderförmig vorgesehen, die über eine Elastomerschicht mit dem Anker verbunden ist.
Nachteilig ist dabei insbesondere die aufwendige Bauform mit einem zusätzlichen Bauteil. Auch ist der großflächige Elastomerring ungünstig für den Verlauf des Magnetfelds und erschwert das Schließen der Feldlinien und somit das Erreichen hoher Anzugskräfte bei der Öffnungsbewegung des Brennstoffeinspritzventils.
Aus der US 4,766,405 ist eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffeinspritzventils bekannt, bei dem zur Dämpfung und Entprellung um den Anker und die Ventilnadel eine weitere zylinderförmige Masse vorgesehen ist, die durch zwei Elastomerringe in ihrer Position beweglich eingespannt und gehalten wird. Beim Auftreffen der Ventilnadel auf dem Dichtsitz kann sich diese zweite Masse relativ zu Anker und Ventilnadel bewegen und ein Prellen der Ventilnadel verhindern.
Nachteilig an der beschriebenen Ausführungsform ist der zusätzliche Aufwand und Platzbedarf. Auch ist der Anker selbst nicht entkoppelt, sein Impuls vergrößert somit bei der Ventilnadel die Neigung, zu prellen.
Aus der US 5,299,776 ist ein Brennstoffeinspritzventil mit einer Ventilnadel und einem Anker bekannt, der auf der Ventilnadel beweglich geführt ist und dessen Bewegung in der Hubrichtung der Ventilnadel durch einen ersten Anschlag und entgegen der Hubrichtung der Ventilnadel durch einen zweiten Anschlag begrenzt wird. Das durch die beiden Anschläge festgelegte axiale Bewegungsspiel des Ankers führt in gewissen Grenzen zu einer Entkoppelung der trägen Masse der Ventilnadel einerseits und der trägen Masse des Ankers andererseits. Dadurch wird einem Zurückprallen der Ventilnadel von der Ventilsitzfläche beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils in gewissen Grenzen entgegengewirkt. Da jedoch die axiale Lage des Ankers bezüglich der Ventilnadel durch die freie Beweglichkeit des Ankers gegenüber der Ventilnadel vollkommen undefiniert ist, werden Preller nur in beschränktem Maße vermieden. Insbesondere wird bei der aus der US 5,299,776 bekannten Bauweise des Brennstoffeinspritzventils nicht vermieden, daß der Anker bei der Schließbewegung des Brennstoffeinspritzventils auf den dem Ventilschließkörper zugewandten Anschlag auftrifft und seinen Impuls dadurch schlagartig auf die Ventilnadel überträgt. Diese schlagartige Impulsübertragung kann zusätzliche Preller des Ventilschließkörpers verursachen.
Es ist weiter aus der Praxis bekannt, den auf der Ventilnadel axial beweglich angeordneten Anker durch einen Elastomerring in seiner Position beweglich eingespannt zu befestigen. Hierzu wird der Anker zwischen zwei Anschlägen gehalten, wobei zwischen Anker und unterem Anschlag ein Elastomerring liegt. Dabei tritt jedoch das Problem auf, daß zur Zuführung des Brennstoffs zur Ventilsitzfläche eine Bohrung durch den Anker notwendig ist. Die Bohrung durch den Anker ist nahe der Ventilnadel ausgeführt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die zwischen dem Anker und dem Dämpfungselement bzw. zwischen dem Dämpfungselement und dem Flansch angeordneten Zwischenringe durch ihre Position und Struktur für ausgeglichene Druckverhältnisse sorgen, so daß das Dämpfungselement ortsfest bleibt und nicht durch Verrutschen zerstört werden kann. Durch die radialen und/oder axialen Kanäle wird ein Flüssigkeitsausgleich zwischen einem von der Ventilnadel, dem Anker und dem Dämpfungselement eingeschlossenen Innenvolumen und einer zentralen Ausnehmung des Brennstoffeinspritzventils ermöglicht. Durch Flüssigkeitsausgleich entsteht eine zusätzliche Dämpfung nach dem Stoßdämpferprinzip.
Das Dämpfungselement wird außerdem durch die Zwischenringe gestützt, wodurch Schwingungen des Elastomers vermieden werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Die Drainagebohrungen im Flansch sind einfach herstellbar und leiten den Brennstoff zwischen Dämpfungselement und Ventilnadel schnell und ohne Verwirbelungen ab.
Die Zwischenringe weisen vorteilhafterweise Nuten, welche sich radial von innen nach außen erstrecken, z. B. in Form einer eingeprägten Struktur auf, wodurch der Brennstoff auch an der Unter- und Oberseite des Dämpfungselements abgeleitet werden kann. Dadurch wird einerseits ein Überdruck und dadurch das seitliche Verrutschen des Dämpfungselements verhindert, andererseits ein positiver Effekt auf das Prellverhalten von Anker und Ventilnadel erreicht, da die Viskosität des Brennstoffs die Dämpfung erhöht und so Prellern entgegenwirkt.
Die Drainage des Spalts zwischen Ventilnadel und Anker kann besonders einfach durch Segmentschweißen erreicht werden, indem die Ventilnadel nicht durch eine durchgehende Schweißnaht mit dem Flansch verbunden wird, sondern durch punktuelles Schweißen, wodurch Befestigungsabschnitte mit Passagen abwechseln, durch die Brennstoff abfließen kann.
Besonders vorteilhaft ist die Kombination der einzelnen Drainagevorrichtungen, indem beispielsweise der Flansch durch Segmentschweißen mit der Ventilnadel verbunden wird und das Dämpfungselement zulauf- und ablaufseitig einen Zwischenring aufweist.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2A: einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil im Bereich IIA in Fig. 1,
Fig. 2B: einen schematischen Schnitt entlang der Linie IIB-IIB in Fig. 2A, und
Fig. 3: einen schematischen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich IIA in Fig. 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bevor anhand der Figuren 2A, 2B und 3 Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 näher beschrieben werden, soll zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst anhand von Fig. 1 ein abgesehen von den erfindungsgemäßen Maßnahmen baugleiches Brennstoffeinspritzventil gemäß dem Stand der Technik bezüglich seiner wesentlichen Bauteile kurz erläutert werden.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 besteht aus einem Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht in Wirkverbindung mit dem Ventilschließkörper 4, der mit einer auf einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1, welches über eine Abspritzöffnung 7 verfügt. Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen den Außenpol 9 einer Magnetspule 10 abgedichtet. Die Magnetspule 10 ist in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt, welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt. Der Innenpol 13 und der Außenpol 9 sind durch eine Verengung 26 voneinander getrennt und miteinander durch ein nicht ferromagnetisches Verbindungsbauteil 29 verbunden. Die Magnetspule 10 wird über eine Leitung 19 von einem über einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben, die am Innenpol 13 angespritzt sein kann.
Die Ventilnadel 3 ist in einer Ventilnadelführung 14 geführt, welche scheibenförmig ausgeführt ist. Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe 15. An der anderen Seite der Einstellscheibe 15 befindet sich der Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit dem ersten Flansch 21 verbunden ist. Auf dem ersten Flansch 21 stützt sich eine Rückstellfeder 23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine Hülse 24 auf Vorspannung gebracht wird. In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und am Ventilsitzkörper 5 verlaufen Brennstoffkanäle 30a bis 30c, die den Brennstoff, welcher über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert wird, zur Abspritzöffnung 7 leiten. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffleitung abgedichtet.
An der abspritzseitigen Seite des Ankers 20 ist ein ringförmiges Dämpfungselement 32, welches aus einem Elastomerwerkstoff besteht, angeordnet. Es liegt auf einem zweiten Flansch 31 auf, welcher über eine Schweißnaht 33 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 verbunden ist.
Bei der Fertigung des aus Anker 20 und Ventilnadel 3 bestehenden Bauteils wird der erste Flansch 21 mit der Ventilnadel 3 verschweißt, der Anker 20 und das Dämpfungselement 32 aufgesteckt und anschließend der zweite Flansch 31 unter Druck auf das Dämpfungselement 32 gepreßt und ebenfalls mit der Ventilnadel 3 verschweißt. Auf diese Weise verfügt der Anker 20 nur über ein geringfügiges, stark gedämpftes Spiel zwischen dem ersten Flansch 21 und dem Dämpfungselement 32.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, daß der Ventilschließkörper 4 am Ventilsitz 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem Innenpol 12 und dem Anker 20 befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgegeben ist. Der Anker 20 nimmt den ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab und der über die Brennstoffkanäle 30a bis 30c geführte Brennstoff wird durch die Abspritzöffnung 7 abgespritzt.
Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende erste Flansch 21 entgegen der Hubrichtung bewegt. Die Ventilnadel 3 wird dadurch in die gleiche Richtung bewegt, wodurch der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.
Fig. 2A zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung eine vergrößerte Ansicht des Bereichs IIA in Fig. 1.
Dargestellt ist ein Teil der Ventilnadel 3, der daran verschweißte zweite Flansch 31 sowie der untere Teil des Ankers 20 mit dem darin verlaufenden Brennstoffkanal 30a. Auf dem zweiten Flansch 31 liegt das Dämpfungselement 32 auf. Erfindungsgemäß weist das in Fig. 2A dargestellte Ausführungsbeispiel einen ersten Zwischenring 34 auf, welcher zwischen einer ablaufseitigen Ankerfläche 35 und dem Dämpfungselement 32 angeordnet ist.
Dem ersten Zwischenring 34 kommt dabei eine zweifache Aufgabe zu: einerseits stellt der erste Zwischenring 34 einen Schutz des Dämpfungselements 32 gegen den darauf aufprallenden Anker 20 dar, da insbesondere die Kanten des Brennstoffkanals 30a im Dauerbetrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 das Dämpfungselement 32 beschädigen können und damit die korrekte Funktionsweise des Brennstoffeinspritzventils 1 nicht mehr gewährleistet ist.
Andererseits sorgt der erste Zwischenring 34 durch eine gezielt aufgebrachte Oberflächenstruktur für die Drainage eines Innenvolumens36 zwischen dem Dämpfungselement 32 und der Ventilnadel 3, in welches während des Betriebs des Brennstoffeinspritzventils 1 Brennstoff eindringt. Die Oberflächenstruktur des ersten Zwischenrings 34 stellt somit eine Verbindung zwischen dem Innenvolumen 36 und einer zentralen Ausnehmung 42 des Brennstoffeinspritzventils 1 her.
Kann der in dem Innenvolumen 36 während des Betriebs des Brennstoffeinspritzventils 1 einfließende und aufgrund der Relativbewegung zwischen Ventilnadel 3 und Anker 20 komprimierte Brennstoff nicht aus dem Innenvolumen 36 abfließen, kann dies beispielsweise zu seitlichen Versätzen des Dämpfungselements 32 führen, was wiederum Beschädigungen des Dämpfungselements 32 aufgrund unerwünschter Dehnung und Kerbwirkung oder Störungen im Brennstofffluß zur Folge hat.
Die Drainage des in dem Innenvolumen 36 komprimierten Brennstoffs kann aber auch, wie in Fig. 2B in einer radialen Schnittansicht entlang der Linie IIB-IIB in Fig. 2A dargestellt, nicht radial, sondern axial in Abströmrichtung erfolgen. Zu diesem Zweck wird der zweite Flansch 31 mittels Segmentschweißens an der Ventilnadel 3 befestigt. Dabei wird der zweite Flansch 31 nicht über eine lückenlos umfangsmäßig umlaufende Schweißnaht 33 mit der Ventilnadel 3 verbunden, sondern über einzelne Schweißsegmente 37, welche, wie in Fig. 2B dargestellt, beispielsweise eine radiale Winkelausdehnung von ca. 90° aufweisen und zwei Drainagelücken 38, welche ebenfalls eine Winkelausdehnung von ca. 90° aufweisen, einschließen. Der in dem Innenvolumen 36 komprimierte Brennstoff kann somit über die Drainagelücken 38 zwischen der Ventilnadel 3 und dem zweiten Flansch 31 abfließen.
Die Methode des Segmentsehweißens hat insbesondere den Vorteil, daß die Ableitung des komprimierten Brennstoffs in dem Innenvolumen 36 ohne zusätzliche Bauteile einfach möglich ist.
Es ist ebenfalls möglich, nicht nur zwei Schweißsegmente 37 zur Verbindung des zweiten Flansches 31 mit der Ventilnadel 3 anzubringen, sondern beispielsweise vier einander kreuzförmig gegenüberliegende Schweißsegmente 37 mit entsprechend vier dazwischenliegenden Drainagelücken 38. Die Zahl der Schweißsegmente 37 und der Drainagelücken 38 kann den Erfordernissen entsprechend angepaßt werden.
Fig. 3 zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1. Dabei ist zwischen dem zweiten Flansch 31 und dem Dämpfungselement 32 ein zweiter Zwischenring 39 eingelegt.
Zur Ableitung des in dem Innenvolumen 36 komprimierten Brennstoffs sind zweckmäßigerweise auf einer ablaufseitigen Seite 40 des ersten Zwischenrings 34 und einer zulaufseitigen Seite 41 des zweiten Zwischenrings 39 radiale Nuten angebracht, durch welche der Brennstoff aus dem Innenvolumen 36 zwischen dem ersten Zwischenring 34 und dem zweiten Zwischenring 39 an der Oberfläche des Dämpfungselements 32 ablaufen kann. Die Struktur der ablaufseitigen Seite 40 des ersten Zwischenrings 34 und der zulaufseitigen Seite 41 des zweiten Zwischenrings 39 kann dabei beispielsweise durch Einprägen oder Einfräsen erzeugt werden.
Eine andere Möglichkeit, den in dem Innenvolumen 36 gestauten Brennstoff abzuführen, besteht darin, in dem zweiten Flansch 31 radiale Bohrungen 43 einzubringen, welche beispielsweise knapp unterhalb des Dämpfungselements 32 eine Verbindung zwischen dem Innenvolumen 36 und der zentralen Ausnehmung 42 des Brennstoffeinspritzventils 1 herstellen. Die Anzahl der Bohrungen kann sich auf eine beschränken, es können aber auch mehrere, z. B. in gleichen Winkelabständen angeordnete Bohrungen 43 vorhanden sein.
Allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 ist gemeinsam, daß bei geeigneter Wahl der Durchmesser der Bohrungen 43, der Drainagelücken 38 oder der Nutenstruktur das Verhältnis der abströmenden Menge des Brennstoffs zu der einströmenden Menge aus dem bzw. in das Innenvolumen 36 geregelt werden kann. Die dadurch entstehende Dämpfung kann zur Prellervermeidung genutzt werden kann.
Insbesondere werden durch diese Maßnahmen die Ventilnadelpreller vermindert, da die Ventilnadel 3 nach dem Aufsetzen des Ventilschließkörpers 4 aufgrund der Viskosität des Brennstoffs in dem Innenvolumen 36 einen Widerstand vorfindet und deshalb keine Möglichkeit mehr hat, sich erneut in Hubrichtung zu bewegen.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und z. B. auch für nach außen öffnende Brennstoffeinspritzventile 1 oder andere Ankerformen, beispielsweise Flachanker, geeignet.

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer Ventilnadel (3), die mit einer Ventilsitzfläche (6) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, und mit einem an der Ventilnadel (3) angreifenden Anker (20), wobei der Anker (20) an der Ventilnadel (3) axial beweglich ist und von einem aus einem Elastomer bestehenden Dämpfungselement (32) gedämpft wird, wobei zwischen dem Anker (20) und dem Dämpfungselement (32) ein erster Zwischenring (34) angeordnet ist und das Dämpfungselement (32) auf einem mit der Ventilnadel (3) kraftschlüssig verbundenen Flansch (31) aufliegt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zwischenring (34) und/oder der Flansch (31) zumindest einen radialen und/oder axialen Kanal aufweist, welcher ein zwischen der Ventilnadel (3) und dem Dämpfungselement (32) befindliches Innenvolumen (36) mit einer zentralen Ausnehmung (42) des Brennstoffeinspritzventils (1) verbindet.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweiter Zwischenring (39) zwischen dem Dämpfungselement (32) und dem Flansch (31) angeordnet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Zwischenring (39) ebenfalls zumindest einen Kanal zur Verbindung des Innenvolumens (36) mit der zentralen Ausnehmung (42) des Brennstoffeinspritzventils (1) aufweist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zumindest eine Kanal als radiale Bohrung (43) in dem Flansch (31) ausgeführt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zumindest eine Kanal als radiale Nut an einer ablaufseitigen Seite (40) des ersten Zwischenrings (34) ausgeführt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zumindest eine Kanal als radiale Nut an einer zulaufseitigen Seite (41) des zweiten Zwischenrings (39) ausgeführt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Flansch (31) mittels Segmentschweißens an der Ventilnadel (3) befestigt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Flansch (31) über mindestens zwei Schweißsegmente (37) mit der Ventilnadel (3) verbunden ist und
daß die Schweißsegmente (37) eine radiale Winkelausdehnung von ca. 90° aufweisen.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Schweißsegmenten (37) Drainagelücken (38) ausgebildet sind.