EP1309791B1

EP1309791B1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: EP1309791B1
Application number: EP01960142A
Authority: EP
Inventors: Thomas Sebastian; Matthias Boee
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2021-08-03
Also published as: JP2004506130A; WO2002012712A1; DE50110166D1; US6857584B2; US20030102386A1; JP4838482B2; DE10039077A1; EP1309791A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der DE 196 26 576 A1 ist bereits ein elektromagnetisch betätigbares Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei welchem zur elektromagnetischen Betätigung ein Anker mit einer elektrisch erregbaren Magnetspule zusammenwirkt und der Hub des Ankers über eine Ventilnadel auf einen Ventilschließkörper übertragen wird. Der Ventilschließkörper wirkt mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammen. Im Anker sind mehrere Brennstoffkanäle vorgesehen. Die Rückstellung des Ankers erfolgt mit einer Rückstellfeder.
Auch aus der DE 195 03 821 A1 ist ein elektromagnetisch betätigbares Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei welchem ebenfalls ein Anker mit einer elektrisch erregbaren Magnetspule zusammenwirkt. Der Hub des Ankers wird über eine ventilnadel auf einen Ventilschließkörper übertragen.
Nachteilig an den aus den obengenannten Druckschriften bekannten Brennstoffeinspritzventilen ist insbesondere der mangelnde freie Strömungsraum für den Brennstoff, was durch die Anordnung der Ventilnadel in einer Ausnehmung des Ankers bedingt ist. Dadurch kommt es, insbesondere während der Bewegung des Ankers, zu großen Druckdifferenzen zwischen der Ankerober- und der Ankerunterseite, da der Druckausgleich behindert wird. Der Durchmesser von Bohrungen, welche im Anker angebracht sind, um dem Brennstoff den Durchtritt zu ermöglichen, ist aufgrund der notwendigen Ankerpolfläche und des geringen räumlichen Platzangebots begrenzt.
Nachteilig ist ferner, daß die hydraulische Druckkraft durch den Brennstoff auf den Anker insbesondere zu größeren ventilöffnungszeiten führt, was sich entsprechend auf die zugemessene Brennstoffmenge auswirkt. Andererseits werden durch Schwankungen in der Druckdifferenz, beispielsweise bei unterschiedlichen Temperaturen des Brennstoffeinspritzventils und dadurch resultierenden Viskositätsunterschieden, Streuungen in den Schaltzeiten des Brennstoffeinspritzventils verursacht, welche zusätzlich zu den verlängerten Schaltzeiten zur Zumessung ungleichmäßig großer Brennstoffmengen führen.
Aus der US 4,984,549 A ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das eine Magnetspule, einen in einer Schließrichtung von einer Rückstellfeder beaufschlagten Anker und eine mit dem Anker kraftschlüssig in Verbindung stehenden Ventilnadel zur Betätigung eines Ventilschließkötpers, der zusammen mit einer Ventilsitzfläche einen Dichtsitz bildet, aufweist. Der Anker weist dabei einen topfförmigen axialen Fortsatz als Führungsrohr mit einem Bodenteil auf, in welchem mindestens eine Öffnung ausgebildet ist. Der Fortsatz als Führungsrohr ist einteilig mit dem Anker ausgeführt. Das Führungsrohr bildet selbst ein Bodenteil, das in einer Öffnung von der Ventilnadel durchgriffen wird. Eine Rückstellfeder für die Ventilnadel ist in einer inneren Ausnehmung des Führungsrohres angeordnet, die sich einerseits an der Ventilnadel und andererseits an einem zusätzlich an einer Einstellhülse angebrachten Abstützflansch abstützt. Die komplexe Konstruktion wird noch komplizierter und schwieriger in der Montage durch eine zweite Rückstellfeder für den Anker, die sich einerseits an einer Schulter der Einstellhülse und andererseits an einem weiteren zusätzlichen Abstutzflansch, der wiederum an eine Schulter in dem Anker eingelegt werden muss, abstützt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Erennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch eine große Ankerbohrung sowie die Öffnungen, welche in einem topfförmigen Fortsatz des Ankers angebracht sind, der Brennstoff ungehindert den Anker durchströmen kann. Idealerweise weist die Ankerbohrung den gleichen Durchmesser auf wie eine innere Längsöffnung des Innenpols der Magnetspule. Die Druckdifferenz zwischen Ankeroberseite und -unterseite ist dadurch auf einen beliebig kleinen Wert verkleinerbar. Durch die größere Ankerbohrung kann zudem die wirksame Ankerfläche verkleinert und damit die restliche auf den Anker wirkende Druckkraft reduziert werden. Dies führt zu kürzeren Ventilöffnungszeiten und zu einer Reduzierung der Streuung in den Schaltzeiten durch Schwankungen in der Druckdifferenz.
Von Vorteil ist insbesondere die Verbindung der erfindungsgemäßen Maßnahmen mit dem sogenannten Vorhubprinzip, welches ebenfalls verkürzte Öffnungszeiten ermöglicht.
Vorteilhafterweise sind die zur Umsetzung dieses Prinzips entsprechenden Bauteile sämtlich in Abströmrichtung nach dem Anker angeordnet, wodurch die Durchströmung des Ankers nicht behindert wird.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer hohlzylindrischen Ventilnadel, welche axial verschiebbar in dem Fortsatz des Ankers angeordnet ist und von Brennstoff durchströmt wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinepritzventils möglich.
Der topfförmige Fortsatz des Ankers kann mit diesem einstückig ausgebildet sein oder aus zwei getrennten Bauteilen bestehen.
Der Fortsatz weist vorzugsweise mindestens zwei Öffnungen auf, was einer gleichmäßigen Durchströmung des Fortsatzes entgegenkommt. Es sind jedoch auch mehrere oder nur eine Öffnung möglich. Die Öffnungen sind dementsprechend durch eine gleich große Anzahl von Kreissegementen des hohlzylindrisch ausgeführten Fortsatzes voneinander getrennt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A: einen schematischen Schnitt durch ein Beispiel eines Brennstoffeinspritzventils,
Fig. 1B: einen Schnitt entlang der Linie IB-IB in Fig. 1,
Fig. 2: einen schematischen Schnitt durch ein Beispiel eines Brennstoffeinspritzventils, und
Fig. 3: einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt in einer ausschnittsweisen, stark schematisierten Schnittdarstellung einen Längsschnitt durch ein Beispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist eine Magnetspule 2 auf, welche mit einem Anker 3 zusammenwirkt. Die Magnetspule 2 wirkt mit einem Innenpol 4 und einem Außenpol 5 zusammen. Der Außenpol 5 setzt sich abströmseitig in einem Ventilgehäuse 6 fort.
Der Anker 3 weist einen Fortsatz 7 auf, welcher hohlzylindrisch ausgebildet ist und an einer abströmseitigen Seite 34 des Ankers 3 angeordnet ist. Der Fortsatz 7 weist ein Bodenteil 24 auf, der den Fortsatz 7 abströmseitig abschließt. In einer inneren Ausnehmung 8, welche in dem Anker 3 und dem Fortsatz 7 ausgebildet ist, ist eine Rückstellfeder 9 angeordnet. Die Rückstellfeder 9 wird durch eine in den Innenpol 4 eingeschobene Einstellhülse 10 in einer Ausnehmung 11 des Innenpols 4 auf vorspannung gebracht.
An einem abströmseitigen Ende 12 des Fortsatzes 7 stützt sich eine Ventilnadel 13 ab. Die Ventilnadel 13 ist mit dem Bodenteil 24 des Fortsatzes 7 vorzugsweise verschweißt. Die Ventilnadel 13 weist an einem abströmseitigen Ende 37 einen Ventilschließkörper 14 auf, der mit einer an einem Ventilsitzkörper 15 ausgebildeten Ventilsitzfläche 16 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt.
Bei dem in Fig. 1A dargestellten Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1. In dem Ventilsitzkörper 15 ist eine Abspritzöffnung 17 ausgebildet. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 18 zugeleitet, strömt durch die Ausnehmung 11 des Innenpols 4 sowie durch die Ausnehmung 8 des Fortsatzes 7 und tritt durch Öffnungen 20, welche in Fig. 1B näher gekennzeichnet sind, aus dem Fortsatz 7 aus. Danach strömt der Brennstoff durch das Ventilgehäuse 6 zum Dichtsitz.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Ventilschließkörper 14 durch die Vorspannung der Rückstellfeder 9 in dichtender Anlage an der ventilsitzfläche 16 gehalten. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist somit geschlossen. Wird der Magnetspule 2 ein Erregerstrom zugeführt, wird der Anker 3 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 9 nach genügendem Aufbau des Magnetfeldes in Richtung Innenpol 4 gezogen. Nach Durchlaufen eines durch die Größe eines Arbeitsspalts 19 vorgegebenen Ankerhubs schlägt der Anker 3 mit einer zulaufseitigen Ankerstirnseite 21 an einen am Innenpol 4 ausgebildeten Ankeranschlag 22 an. Brennstoff strömt von der zentralen Brennstoffzufuhr 18 durch die Ausnehmungen 11 und 8 sowie die Öffnungen 20 in Richtung Dichtsitz.
Wird der die Magnetspule 2 erregende Strom abgeschaltet, fällt nach genügendem Abbau des Magnetfeldes der Anker 3 durch die Kraft der Rückstellfeder 9 vom Innenpol 4 ab, wodurch sich die Ventilnadel 13 in Abströmrichtung bewegt, der Ventilschließkörper 14 auf der Ventilsitzfläche 16 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.
Fig. 1B zeigt in einer auszugsweisen schematisierten Schnittdarstellung einen Schnitt durch den Fortsatz 7 entlang der Linie IB-IB in Fig. 1A.
Der Fortsatz 7 ist in seiner Grundform hohlzylindrisch ausgeführt und besteht aus mehreren Segmenten 23, vorzugsweise mindestens zwei, zwischen denen sich in Umfangsrichtung eine entsprechende Anzahl von Öffnungen 20 befindet. Die ein Mantelteil des Fortsatzes7 bildenden Segmente 23 sind vorzugsweise einstückig mit dem Bodenteil 24 des Fortsatzes 7 ausgebildet. Auf dem Bodenteil 24 stützt sich die Rückstellfeder 9 ab. An der der Rückstellfeder 9 gegenüberliegenden Seite des Bodenteils 24 stützt sich die Ventilnadel 13 ab, wie anhand von Fig. 1A näher beschrieben. Der Brennstoff, welcher zentral zufließt, strömt durch die Ausnehmung 8 des Fortsatzes 7 und durch die Öffnungen 20 aus dem Fortsatz 7 heraus. Durch die Größe der Ausnehmung 8 sowie der Öffnungen 20 zwischen den Segmenten 23 wird sichergestellt, daß der Brennstoff das Brennstoffeinspritzventil 1 durchfließen kann, ohne sich signifikant an dem Anker 3 zu stauen.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 läßt sich besonders vorteilhaft betreiben, wenn das sogenannte Vorhubprinzip verwendet wird. Dabei wird der Anker 3 zunächst vorbeschleunigt und durchläuft einen Teilhub, während dessen die ventilnadel 13 noch nicht mitgenommen wird. Erst nach Erreichen eines ersten Ankeranschlags wird die Ventilnadel über geeignete Vorrichtungen gegen die Kraft einer zweiten Rückstellfeder mitgenommen.
Wird zusätzlich das Brennstoffeinapritzventil 1 so konstruiert, daß die den Teilhub ermöglichenden zusätzlichen Bauteile in Abströmrichtung nach dem Anker 3 angeordnet sind, bleibt der Magnetkreis durch den Teilhub unbeeinflußt. Dadurch kann unter anderem der Durchmesser des Innenpols 4 kleiner gewählt werden, wodurch die effektive magnetische Polfläche und somit die wirkende Magnetkraft vergrößert werden.
Anhand der Figur 3 wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 in Verbindung mit dem Vorhubprinzip näher beschrieben. Übereinstimmende Bauteile sind in den Figuren 2 und 3 mit gegenüber Fig. 1A übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Fig. 2 zeigt in einer gegenüber Fig. 1A etwas vergrößerten teilweisen Schnittdarstellung ein Beispiel des Brennstoffeinspritzventils 1.
Um das Prinzip des vorhubs einsetzen zu können, weist der Fortsatz 7 des Ankers 3 im Bodenteil 24 eine Ausnehmung 25 auf, welche von der Ventilnadel 13 durchgriffen wird. An ihrem zulaufseitigen Ende 36 weist die Ventilnadel 13 einen Flansch 26 auf, der einen hervorkragenden Kragen 27 besitzt. Die Ventilnadel 13 ist mit dem Flansch 26 vorzugsweise verschweißt, kann aber auch mit diesem einstückig ausgeführt sein. Auf dem Kragen 27 des Flansches 26 stützt sich die erste Rückstellfeder 9 ab. Zwischen dem Kragen 27 und dem Bodenteil 24 ist eine zweite Rückstellfeder 28 eingespannt. Die Federkonstante der zweiten Rückstellfeder 28 ist dabei erheblich kleiner als die Federkonstante der ersten Rückstellfeder 9, um eine Bewegung des Ankers 3 ohne die Ventilnadel 13 zu ermöglichen.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 drückt die erste Rückstellfeder 9 die Ventilnadel 13 über den Kragen 27 des Flansches 26 auf den Dichtsitz. Der Anker 3 liegt dabei auf einer Ankerauflage 29, welche ringförmig im ventilgehäuse 6 ausgebildet ist. Wird die in Fig. 2 nicht näher dargestellte Magnetspule 2 bestromt, bewegt sich der Anker 3 in Richtung des Innenpols 4. Zu diesem Zeitpunkt muß sich der Anker 3 lediglich entgegen der Kraft der zweiten Rückstellfeder 28 bewegen, da die Federkonstante der zweiten Rückstellfeder 28 so gering ist, daß der Anker 3 in seiner Bewegung nicht wesentlich gehemmt wird, die Ventilnadel 13 jedoch noch in Ruhe bleibt. Nach Durchlaufen eines Vorhubs, welcher der Höhe eines Vorhubspalts 30 zwischen dem Bodenteil 24 des Fortsatzes 7 und dem Flansch 26 der Ventilnadel 13 entspricht, schlägt das Bodenteil 24 des Fortsatzes 7 am Flansch 26 an und der Anker 3 nimmt die Ventilnadel 13 über den Flansch 26 entgegen der Kraft der ersten Rückstellfeder 9 in Hubrichtung mit, wodurch das Brennstoffeinspritzventil 1 geöffnet wird.
Sobald der Arbeitsspalt 19 geschlossen ist, schlägt der Anker 3 mit seiner zulaufseitigen Ankerstirnseite 21 am Ankeranschlag 22 des Innenpols 4 an. Solange die Magnetspule 2 bestromt wird, verbleibt das Brennstoffeinspritzventil 1 in der Offenstellung. Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 3 durch die Kraft der ersten Rückstellfeder 9 zusammen mit dem Flansch 26 und der mit dem Flansch 26 kraftschlüssig in Verbindung stehenden ventilnadel 13 vom Innenpol 4 ab. Die Schließbewegung erfolgt in einem Zug über den Gesamthub, wodurch das Brennstoffeinspritzventil 1 schnell geschlossen werden kann.
Fig. 3 zeigt in einer auszugsweisen, schematisierten Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 in Verbindung mit dem Vorhubprinzip.
Im Gegensatz zu dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel ist die Ventilnadel 13 im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Hohlzylinder gestaltet und übernimmt dadurch die Funktion des nurmehr rudimentär ausgebildeten Fortsatzes 7. Die Ventilnadel 13 weist quer verlaufende Ausströmöffnungen 31 auf. Der Fortsatz 7 des Ankers 3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ohne Bodenteil 24 ausgebildet, ist statt dessen jedoch mit einer Hülse 32 verschweißt, welche von der Ventilnadel 13 durchgriffen wird.
Die ventilnadel 13 weist an ihrem zulaufseitigen Ende einen Kragen 33 auf, welcher durch die zweite Rückstellfeder 28, welche zwischen der Hülse 32 und dem Kragen 33 eingespannt ist, gegen die abströmbeitige Ankerstirnfläche 34 gedrückt wird. In der Ausnehmung B des Ankers 3 ist die erste Rückstellfeder 9 geführt, welche sich auf dem zulaufseitigen Ende 36 der Ventilnadel 13 abstützt. Die Summe der Querschnittsflächen der quer verlaufenden Ausströmöffnungen 31 der Ventilnadel 13 sollte größer als oder wenigstens gleich der Querschnittsfläche der Ausnehmung 8 des Ankers 3 sein.
Wird die Magnetspule 2 bestromt, durchläuft der Anker 3 wie im Beispiel der Fig. 2 zunächst einen Vorhub, welcher einer Höhe des Vorhubspalts 30 zwischen der Hülse 32 und dem Kragen 33 der Ventilnadel 13 entspricht. Sobald die Hülse 32 am Kragen 33 anschlägt, nimmt der Anker 3 entgegen der Kraft der ersten Rückstellfeder 9 die Ventilnadel 13 mit. Nach Durchlaufen des Vorhubs bzw. Schließen des Arbeitsspalts 19 zwischen der zulaufseitigen Ankerstirnseite 21 und dem Ankeranschlag 22 des Innenpols 4 schlägt der Anker 3 am Innenpol 4 an. Solange die Magnetspule 2 bestromt wird, verbleibt das Brennstoffeinspritzventil 1 in geöffneter Stellung.
Wird der die Magnetspule 2 erregende Strom abgeschaltet, fällt der Anker 3 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch die Kraft der ersten Rückstellfeder 9 vom Innenpol 4 ab und das Brennstoffeinspritzventil 1 wird geschlossen.
Eine innere Ausnehmung 35 der Ventilnadel 13 ist im Durchmesser geringfügig kleiner als die Ausnehmung 11 des Innenpols 4 bzw. die Ausnehmung 8 des Ankers 3 ausgebildet-Dadurch kann sich auf dem Kragen 33 ein geringfügiger Staudruck ausbilden, der die Funktionsweise des Hrennstoffeinspritzventils , 1 durch einen geringfügigen Beitrag zur Schließkraft unterstützt.

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Brennstoffeinspritzventil (1) für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer Magnetspule (2), einem in einer Schließrichtung von einer Rückstellfeder (9) beaufschlagten Anker (3) und einer mit dem Anker (3) kraftschlüssig in Verbindung stehenden Ventilnadel (13) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (14), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (16) einen Dichtsitz bildet, wobei der Anker (3) einen topfförmigen axialen Fortsatz (7) mit einem Bodenteil aufweist, in welchem mindestens eine Öffnung ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Hülse (32) das Bodenteil bildet und der Fortsatz (7) mit der Hülse (32) verbunden ist, in welcher die Ventilnadel (13) verschiebbar angeordnet ist und das zulaufseitige Ende (36) der Ventilnadel (13) einen Kragen (33) aufweist, welcher zwischen einer abströmseitigen Ankerstimfläche (34) und der Hülse (32) angeordnet ist und zwischen dem Kragen (33) der Ventilnadel (13) und der Hülse (32) eine zweite Rückstellfeder (28) angeordnet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Anker (3) eine innere Ausnehmung (8) aufweist, in welcher die Rückstellfeder (9) eingesetzt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Rückstellfeder (9) an dem Kragen (33) abstützt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventilnadel (13) hohlzylindrisch ausgebildet ist und mindestens zwei Ausströmöffnungen (31) aufweist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Anker (3) mit einem zum elektromagnetischen Kreis gehörenden Innenpol (4) zusammenwirkt, der Innenpol (4) und der Anker (3) jeweils eine innere Ausnehmung (11, 8) aufweisen, und der Durchmesser der Ausnehmung (8) des Ankers (3) dem Durchmesser der Ausnehmung (11) des Innenpols (4) entspricht.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Summe der Querschnittsflächen der Ausströmöffnungen (31) größer als oder wenigstens gleich der Querschnittsfläche der Ausnehmung (8) des Ankers (3) ist.