EP1440239B1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

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EP1440239B1
EP1440239B1 EP02769885A EP02769885A EP1440239B1 EP 1440239 B1 EP1440239 B1 EP 1440239B1 EP 02769885 A EP02769885 A EP 02769885A EP 02769885 A EP02769885 A EP 02769885A EP 1440239 B1 EP1440239 B1 EP 1440239B1
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EP
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fuel injection
valve
injection valve
fuel
stroke
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EP02769885A
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Volker Holzgrefe
Günther HOHL
Michael HÜBEL
Jürgen Stein
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M61/042—The valves being provided with fuel passages

Definitions

  • the invention is based on a fuel injection valve according to the preamble of the main claim.
  • an outward opening fuel injection valve known which a having conical sealing seat.
  • the valve needle has a Central bore, which in a the sealing seat upstream pressure chamber opens.
  • An actor who as piezoelectric actuator is designed supports on the one hand against a nozzle body and on the other hand against a non-positively connected to the valve needle Pressure shoulder off.
  • a return spring holds the valve needle in a closed position. Upon excitation of the actuator is through Length extension thereof the valve needle against the closing force of the return spring opened and fuel hosed.
  • a disadvantage of the known from DE 195 34 445 A1 Fuel injection valve is in particular that in the Combustion chamber of the internal combustion engine injected Fuel jet cone-shaped with a specific Opening angle ⁇ is.
  • An injection under different Opening angle ⁇ which, for example, the different requirements for the shape of the mixture cloud in part-load and full load range, is hereby not possible.
  • WO 01/11228 A1 describes a fuel injection valve after Preamble of claim 1.
  • the fuel injection valve according to the invention with the characterizing features of the main claim has In contrast, the advantage that, depending on the stroke position of Valve needle a larger or smaller jet angle can be represented, according to the operating state of Internal combustion engine can be selected.
  • Another advantage is that by means of appropriate shaping the downstream end of the fuel injection valve and corresponding to the valve closing body any desired Beam angle can be realized.
  • a in Figs. 1 and 2 in two different stroke states illustrated embodiment of an inventive Fuel injection valve 1 is in the form of a Fuel injection valve 1 for fuel injection systems of mixture-compacting, externally ignited Internal combustion engine running.
  • the Fuel injector 1 is particularly suitable for direct injection of fuel into one illustrated combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the fuel injection valve 1 consists of a Housing body 2 and a nozzle body 3, in which a Valve needle 4 is arranged.
  • the valve needle 4 is available a valve closing body 5 in operative connection, with a Valve seat surface 6 cooperates to a sealing seat.
  • Fuel injection valve 1 is in Embodiment by an outward opening Fuel injection valve 1.
  • the fuel injection valve 1 has an actuator 7, which in the embodiment as piezoelectric actuator 7 is executed.
  • the actuator supports on the one hand on the housing body 2 and on the other hand on a with the valve needle 4 operatively connected shoulder. 8 from. Downstream of the shoulder 8 is a return spring. 9 arranged, which in turn on the nozzle body. 3 supported.
  • the valve needle 4 has a fuel passage 10, through which by a supply-side central Fuel supply 11 fed fuel to the sealing seat to be led.
  • a Swirl chamber 12 is formed, in which the fuel passage 10th opens.
  • a mixture-compressing, externally-ignited internal combustion engine places other demands on the shape, the stoichiometry and the penetration capacity of the mixture cloud injected into the combustion chamber in partial-load operation than in full-load operation.
  • the mixture cloud as shown in Fig. 1, a relatively small opening angle ⁇ 1 , a large penetration capacity, due to the small opening angle ⁇ 1 narrow core area with a richer mixture and have a very lean shell.
  • a large opening angle ⁇ 2 and thus a nearly homogeneous filling of the cylinder with zundpreparedem mixture is required.
  • Fuel injector 1 defines two stroke states, whereby during operation different jet patterns can be displayed, which according to the operating condition the internal combustion engine can be selected.
  • Fig. 1 shows the fuel injection valve 1 in a first stroke state.
  • the valve closing body 5 has already lifted off from the valve seat surface 6, but only releases a gap 13 of small width between the valve closing body 5 and the valve seat surface 6.
  • a fuel jet having a small opening angle ⁇ 1 can be represented, which has a large penetration capacity required for the stratified charge operation.
  • a second stroke position of the fuel injection valve 1 is shown.
  • the valve closing body 5 is now further away from the valve seat surface 6, so that the gap 13 is wider than in Fig. 1. Due to the Entrainment the flow outside of the injection jet of the gap 13, the sprayed fuel jet now applies to the valve closing body 5, which a relative to the longitudinal axis 16 of the fuel injection valve 1 has great inclination and thus leads to a strong expansion of the fuel jet.
  • the opening angle ⁇ 2 is thus increased compared to the first stroke position, which is advantageous for the full load range of the internal combustion engine, since the entire combustion chamber is filled with a relatively homogeneous, stoichiometric mixture.
  • the different stroke positions of the valve needle 4 can in simple way z. B. by the use of two separately controllable actuators 7 are approached.
  • This can For example, a voltage-controlled or voltage-controlled piezoelectric actuator and two piezoelectric Be actuators 7, which are controlled sequentially.
  • the use of two magnetic circuits with two separate coils or a two-part armature is conceivable.
  • the beam angle ⁇ 1 and ⁇ 2 are selected so that the combustion chamber of the internal combustion engine can be optimally filled with an ignitable fuel-air mixture.
  • the preparation of the inclined portion 15 and the valve seat surface 6 may, for example, in the manufacture of the nozzle body 3 z. B. by turning.
  • the invention is not limited to that shown Embodiment limited and for any construction of fuel injection valves 1 with arbitrary actuators. 7 applicable.

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Beispielsweise ist aus der DE 195 34 445 A1 ein nach außen öffnendes Brennstoffeinspritzventil bekannt, welches einen kegeligen Dichtsitz aufweist. Die Ventilnadel weist eine Zentralbohrung auf, welche in eine dem Dichtsitz vorgelagerte Druckkammer mündet. Ein Aktor, der als piezoelektrischer Aktor ausgeführt ist, stützt sich einerseits gegen einen Düsenkörper und andererseits gegen eine mit der Ventilnadel kraftschlüssig verbundene Druckschulter ab. Eine Rückstellfeder hält die Ventilnadel in einer Schließstellung. Bei Erregung des Aktors wird durch Längenausdehnung desselben die Ventilnadel gegen die schließende Kraft der Rückstellfeder geöffnet und Brennstoff abgespritzt.
Nachteilig bei dem aus der DE 195 34 445 A1 bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere, daß der in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzte Brennstoffstrahl kegelförmig mit einem bestimmten Öffnungswinkel α ist. Eine Einspritzung unter verschiedenen Öffnungswinkeln α, welche beispielsweise den unterschiedlichen Anforderungen an die Form der Gemischwolke im Teillast- und Vollastbereich Rechnung trägt, ist hierbei nicht möglich.
Die WO 01/11228 A1 beschreibt ein Brennstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß je nach der Hubstellung der Ventilnadel ein größerer oder kleinerer Strahlöffnungswinkel darstellbar ist, der gemäß dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausgewählt werden kann.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Vorteilhafterweise ist dies mittels einer einfach herstellbaren Geometrie des dem Dichtsitz benachbarten Endes des Brennstoffeinspritzventils erreichbar. Dazu ist ein geneigter Bereich, dessen Neigungswinkel von dem der Ventilsitzfläche abweicht, benachbart zur Ventilsitzfläche ausgebildet.
Von Vorteil ist außerdem, daß mittels entsprechender Formung des abströmseitigen Endes des Brennstoffeinspritzventils und korrespondierend des Ventilschließkörpers jeder gewünschte Strahlwinkel realisierbar ist.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils in einer ersten Hubposition, und
Fig. 2
einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils in einer zweiten Hubposition.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Ein in den Fig. 1 und 2 in zwei verschiedenen Hubzuständen dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 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 Gehäusekörper 2 und einem Düsenkörper 3, in welchem eine Ventilnadel 4 angeordnet ist. Die Ventilnadel 4 steht mit einem Ventilschließkörper 5 in Wirkverbindung, der mit einer Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach außen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1. Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist einen Aktor 7 auf, der im Ausführungsbeispiel als piezoelektrischer Aktor 7 ausgeführt ist. Der Aktor stützt sich einerseits am Gehäusekörper 2 und andererseits an einer mit der Ventilnadel 4 in Wirkverbindung stehenden Schulter 8 ab. Abströmseitig der Schulter 8 ist eine Rückstellfeder 9 angeordnet, welche sich ihrerseits an dem Düsenkörper 3 abstützt.
Die Ventilnadel 4 weist einen Brennstoffkanal 10 auf, durch welchen der durch eine zulaufseitige zentrale Brennstoffzufuhr 11 zugeleitete Brennstoff zum Dichtsitz geführt wird. Zuströmseitig des Dichtsitzes ist eine Drallkammer 12 ausgebildet, in welche der Brennstoffkanal 10 ausmündet.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird die Schulter 8 durch die Kraft der Rückstellfeder 9 entgegen der Hubrichtung so beaufschlagt, daß der Ventilschließkörper 5 an der Ventilsitzfläche 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung des piezoelektrischen Aktors 7 dehnt sich dieser in axialer Richtung entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 9 aus, so daß die Schulter 8 mit der Ventilnadel 4, welche mit der Schulter 8 kraftschlüssig verbunden ist, in Hubrichtung bewegt wird. Der Ventilschließkörper 5 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab, und der über den Brennstoffkanal 10 geführte Brennstoff wird abgespritzt.
Wird der piezoelektrische Aktor entladen, reduziert sich die axiale Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors 7, wodurch die Ventilnadel 4 durch den Druck der Rückstellfeder 9 entgegen der Hubrichtung bewegt wird. Der Ventilschließkörper 5 setzt auf der Ventilsitzfläche 6 auf und das Brennstoffeinspritzventil 1 wird geschlossen.
Eine gemischverdichtende, fremdgezundete Brennkraftmaschine stellt im Teillastbetrieb andere Anforderungen an die Form, die Stöchiometrie und das Penetrationsvermögen der in den Brennraum eingespritzten Gemischwolke als im Vollastbetrieb. Im Teillastbetrieb sollte die Gemischwolke, wie in Fig. 1 dargestellt, einen relativ kleinen Öffnungswinkel α1, ein großes Penetrationsvermögen, einen durch den kleinen Öffnungswinkel α1 bedingten schmalen Kernbereich mit fetterem Gemisch und eine sehr magere Hülle besitzen. Im Vollastbereich ist dagegen, wie in Fig. 2 dargestellt, ein großer Öffnungswinkel α2 und damit eine nahezu homogene Fullung des Zylinders mit zundfähigem Gemisch erforderlich.
Um diesen Anforderungen an die Gemischbildung Rechnung zu tragen, sind für das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 zwei Hubzustände definiert, wodurch während des Betriebs unterschiedliche Strahlbilder darstellbar sind, welche entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausgewählt werden können.
Fig. 1 zeigt das Brennstoffeinspritzventil 1 in einem ersten Hubzustand. Der Ventilschließkörper 5 hat bereits von der Ventilsitzfläche 6 abgehoben, gibt jedoch nur einen Spalt 13 von geringer Breite zwischen dem Ventilschließkörper 5 und der Ventilsitzfläche 6 frei. Durch die Geometrie des abströmseitigen Endes 14 des Brennstoffeinspritzventils 1, welches in einem geneigten Bereich 15 abströmseitig der Ventilsitzfläche 6 eine geringere Neigung relativ zu einer Längsachse 16 des Brennstoffeinspritzventils 1 aufweist als die Ventilsitzfläche 6, legt sich in dem in Fig. 1 dargestellten ersten Hubzustand der aus dem Spalt 13 abgespritzte Brennstoffstrahl auf Grund des Entrainment der Strömung im Inneren des Einspritzstrahls an den geneigten Bereich 15 des abströmseitigen Endes 14 des Brennstoffeinspritzventils 1 an. Dadurch kann ein Brennstoffstrahl mit einem kleinen Öffnungswinkel α1 dargestellt werden, welcher ein großes, für den Schichtladebetrieb benötigtes Penetrationsvermögen aufweist.
In Fig. 2 ist eine zweite Hubstellung des Brennstoffeinspritzventils 1 dargestellt. Der Ventilschließkörper 5 ist nun weiter von der Ventilsitzfläche 6 abgerückt, so daß der Spalt 13 weiter ist als in Fig. 1. Bedingt durch das Entrainment der Strömung außen am Einspritzstrahl des Spalts 13 legt sich der abgespritzte Brennstoffstrahl nun an den Ventilschließkörper 5 an, welcher eine relativ zur Längsachse 16 des Brennstoffeinspritzventils 1 große Neigung aufweist und somit zu einer starken Aufweitung des Brennstoffstrahls führt. Der Öffnungswinkel α2 ist somit gegenüber der ersten Hubstellung vergrößert, was für den Vollastbereich der Brennkraftmaschine vorteilhaft ist, da der gesamte Brennraum mit einem relativ homogenen, stöchiometrischen Gemisch gefüllt wird.
Die verschiedenen Hubstellungen der Ventilnadel 4 können in einfacher Weise z. B. durch die Verwendung zweier separat ansteuerbarer Aktoren 7 angefahren werden. Dies können beispielsweise ein spannungsgeregelter bzw. spannungsgesteuerter Piezoaktor sowie zwei piezoelektrische Aktoren 7 sein, welche nacheinander angesteuert werden. Auch die Verwendung zweier Magnetkreise mit zwei separaten Spulen oder einem zweigeteilten Magnetanker ist denkbar.
Durch eine geeignete Wahl der Neigung der Ventilsitzfläche 6 bzw des Ventilschließkörpers 5 und des geneigten Bereichs 15 sind die Strahlwinkel α1 und α2 so wählbar, daß der Brennraum der Brennkraftmaschine optimal mit einem zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemisch gefüllt werden kann. Die Herstellung des geneigten Bereichs 15 und der Ventilsitzfläche 6 kann dabei beispielsweise bei der Herstellung des Düsenkörpers 3 z. B. mittels Drehen erfolgen.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und für beliebige Bauweisen von Brennstoffeinspritzventilen 1 mit beliebigen Aktoren 7 anwendbar.

Claims (5)

  1. Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer in einem Düsenkörper (3) angeordneten Ventilnadel (4), welche durch einen Aktor (7) betätigbar ist und durch eine Rückstellfeder (9) so beaufschlagt ist, daß ein mit der Ventilnadel (4) in Wirkverbindung stehender, dem Brennraum zugewandter Ventilschließkörper (5) im unbetätigten Zustand des Aktors (7) in dichtender Anlage an einer Ventilsitzfläche (6) gehalten wird, wobei ein erster Strahlöffnungswinkel α1 einem ersten Hubzustand der Ventilnadel (4) und ein zweiter Strahlöffnungswinkel α2 einem zweiten Hubzustand der Ventilnadel (4) zugeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitzfläche (6) benachbart ein geneigter Bereich (15) an einem abströmseitigen Ende (13) des Brennstoffeinspritzventils (1) ausgebildet ist,
    und daß der geneigte Bereich (15) weniger stark gegenüber einer Längsachse (16) des Brennstoffeinspritzventils (1) geneigt ist als die Ventilsitzfläche (6).
  2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Ventilnadelhub entsprechend dem ersten Hubzustand kleiner ist als ein zweiter Ventilnadelhub entsprechend dem zweiten Hubzustand.
  3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß α1 kleiner ist als α2.
  4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel α1 das Doppelte des Neigungswinkels des geneigten Bereichs (15) gegenüber der Längsachse (16) des Brennstoffeinspritzventils (1) beträgt.
  5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel α2 das Doppelte des Neigungswinkels der Ventilsitzfläche (6) gegenüber der Längsachse (16) des Brennstoffeinspritzventils (1) beträgt.
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