EP1481161B1

EP1481161B1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: EP1481161B1
Application number: EP02795043A
Authority: EP
Inventors: Guenter Dantes; Joerg Heyse
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2022-12-23
Also published as: ATE387578T1; KR20040089666A; EP1481161A1; DE10208223A1; DE50211802D1; JP2005518500A; US7032845B2; JP4308670B2; US20040149839A1; WO2003072931A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Aus der DE 196 25 059 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, welches Drallkanäle (dort als Kraftstoffkanäle bezeichnet), die in ihrer Lage zur Achse der Ventilnadel in Richtung der Hauptströmung des Brennstoffes geneigt sind, aufweist. Die Neigung der Drallkanäle dient in der DE 196 25 059 A1 dazu, durch die in Hauptströmungsrichtung nach der Ventilsitzfläche gelegene Drallkammer und die Abspritzöffnung einen Brennstoffstrahl direkt, d.h. ohne auf Teile des Brennstoffeinspritzventils aufzutreffen, die nach der Abspritzöffnung des Drallkanals liegen, in den in Abspritzrichtung folgenden Brennraum einzuspritzen. Ziel dabei ist, Richtung, Form und insbesondere die Strähnigkeit der austretenden Brennstoffwolke zu beeinflussen.
Nachteilig an dem aus der DE 196 25 059 A1 bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere die Inhomogenität der erzeugten Brennstoffwolke, die insbesondere bei weitgehend symmetrisch aufgebautem Brennraum und dazu weitgehend symmetrisch angeordneten Gasaustauschvorrichtungen, Zündeinrichtungen und Einspritzventilen oft unerwünscht ist. Im weiteren ist die Drallausbildung in der Drallkammer eingeschränkt.
Weitere Nachteile ergeben sich bei der Herstellung des Drallkanals. Insbesondere würde beim Laserbohren in Strömungsrichtung des Drallkanals durch die Auffächerung des Lasers die Abspritzöffnung beschädigt. Zum Schutz der Abspritzöffnung müßte eine sogenannte verlorene Form in die zentrale Bohrung eingeführt werden. Die Rückstände, die durch den Beschuß der verlorenen Form in der Bohrung zurückbleiben, müßten durch einen zusätzlichen Fertigungsschritt entfernt werden. Weiterhin ist solch eine verlorene Form ein Verschleißteil und sie erschwert zusätzlich das Freiblasen bzw. Absaugen kleinster Tröpfchen von bei der Bohrung anfallender Schmelze. Beim Laserbohren in anderer Richtung würde der Laser schon vor dem Auftreffen auf die Bohrstelle zu weit aufgefächert, da die Lasertülle aus der der Laserstrahl austritt, nicht nahe genug an die Bohrstelle herangeführt werden kann. Der Winkel der Drallkanalbohrung kann auch nicht beliebig zur Abstrahlrichtung hin verschoben werden, da sonst die Ventilsitzfläche vom Laserstahl getroffen würde.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 weist Vorteile auf, die unter anderem durch ein kostengünstigeres Herstellungsverfahren begründet werden. So ist es, unter anderem, durch die Anordnung der Drallkanäle, die in Strömungsrichtung des Brennstoffs durch den Drallkanal betrachtet zur Ventilnadelachse entgegen der Abspritzöffnung geneigt sind, möglich, in Drallkanalströmungsrichtung, also vom Außenumfang des Ventilsitzkörpers in Richtung Zentrum, laserzubohren, ohne daß eine sogenannte Schutzform zum Schutz der dem Drallkanal in Strömungsrichtung gegenüberliegenden Innenwand des Ventilsitzkörpers eingesetzt werden muß, da der austretende Laserstrahl in seinem Verlauf nicht auf jene gegenüberliegende Innenwand auftreffen würde.
Da solch eine Schutzform durch den Beschuß des Lasers rückstände an den Flächen des Ventilsitzkörpers hinterlassen würde und die Schutzform das Bohrungsende der Drallkanalbohrung versperren würde, wäre gleichzeitig ein Freiblasen bzw. Absaugen der Drallkanalbohrung von kleinsten Tröpfchen aus beim Bohrvorgang anfallender Schmelze während des Bohrvorgangs erschwert oder unmöglich. Eine Entfernung dieser Rückstände nach der Herstellung der Drallkanalbohrung würde zusätzlich Kosten verursachen. Ein nachträgliches Ausschleifen würde zur unerwünschten Gratbildung am Drallkanalaustritt führen.
Durch den Verzicht auf eine Schutzform kann eine Absaugung bzw. Freiblasung von kleinsten Tröpfchen anfallender Schmelze während des Bohrvorgangs vorgenommen werden. Weiterhin können Abspritzöffnung und Drallkanal kostengünstig in einer Einspannung, d.h. in einem Arbeitsgang, hergestellt werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Da die Dimensionen der zentralen Bohrung bei Brennstoffeinspritzventilen zu klein sind, um eine Lasertülle aufzunehmen, scheidet ein Bohrungsverlauf entgegen der Drallkanalströmungsrichtung aus. Die Bohrungsführung in Drallkanalströmungsrichtung vermeidet zudem wulstförmige Aufwürfe an den Drallkanalaustritten, die an Eintrittstellen von Laserbohrungen entstehen und die zu nicht vorhersehbaren Variationen der Durchflußkoeffizienten führen.
Um die Lasertülle beim Bohrvorgang nahe genug an die Bohrstelle platzieren zu können, werden die Drallkanäle so weit am stromaufwärtigen Ende des Ventilsitzkörpers eingebracht, daß die Lasertülle dabei nicht mit den stromabwärts liegenden Formen des Ventilsitzkörpers in Berührung kommt.
Der Durchmesser des Ventilschließkörpers ist vorzugsweise im stromaufwärtigen Führungsbereich größer als in dem davon unmittelbar anschließenden stromabwärtigen Drallkammerbereich. Dies wird durch einen Durchmesserabsatz im Ventilschließkörper erreicht. Das Volumen der Drallkammer ist nahe des Durchmesserabsatzes am größten und wird durch eine sich in Strömungsrichtung kontinuierlich reduzierende Ringspaltweite klein gehalten, die durch einen sich gegen die Strömungsrichtung erweiternden Abschnitt der Ventilnadel gebildet wird, so daß ein stufenloser Querschnittsübergang erreicht wird. So wird das Drallkammervolumen minimiert und die eingeschlossene Fluidmasse kann zu Spritzbeginn ausreichend schnell in Rotation versetzt werden.
Durch eine Tangentialkomponente relativ zu einer Längsachse des Brennstoffeinspritzventils kann die Drallströmung in der Drallkammer je nach Anforderungen eingestellt werden. Es ist jedoch immer eine radiale Richtungskomponente bezüglich der Innenwandung der zentralen Bohrung vorhanden, um eine Beschädigung der Innenwandung bei der Drallkanalbohrung durch Fertigungstoleranzen zu vermeiden.
Die Querschnittsformen der Drallkanale können beliebig hergestellt werden. Vorzugsweise sind diese kreisrund, aber auch elliptisch, quadratisch, rechteckig, dreieckig, vieleckig oder trapezförmig.

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 erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils;
Fig. 2: einen schematischen Teilschnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Aus-führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich des Ventilsitzkörpers; und
Fig. 3: einen schematischen Schnitt des Ventilsitzkörpers entlang der Linie III-III von Fig. 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in Fig. 1 dargestellte erste 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 Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht mit einem Ventilschließkörper 4 in Wirkverbindung, 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. 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 einen Spalt 26 voneinander getrennt und stützen si-ch auf einem Verbindungsbauteil 29 ab. 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 ein 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.
Ein zweiter Flansch 31, welcher mit der Ventilnadel 3 über eine Schweißnaht 33 verbunden ist, dient als unterer Ankeranschlag. Ein elastischer Zwischenring 32, welcher auf dem zweiten Flansch 31 aufliegt, vermeidet Prellen beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1.
In der Ventilnadelführung 14 und im Anker 20 verlaufen Brennstoffkanäle 30a und 30b. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert. Im Ventilsitzkörper 5 sind Drallkanäle 34 sowohl zur Brennstoffleitung als auch zur Drallerzeugung vorgesehen. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffzuleitung und eine Dichtung 40 gegen einen nicht dargestellten Zylinderkopf abgedichtet.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, daß der Ventilschließkörper 4 an der Ventilsitzfläche 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 Flansch 2.1, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, ebenfalls in Hubrichtung mit.
Der mit der Ventilnadel 3 in Wirkverbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab und der über die Drallkanäle 34 im Ventilsitzkörper 5 zugeführte Brennstoff wird abgespritzt.
Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch die Kraft der Rückstellfeder 23 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich der mit der Ventilnadel 3 in Wirkverbindung stehende 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.
Das in Fig. 2 ausschnittsweise vergrößert dargestellte abspritzseitige Ende des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 aus Fig. 1 umfaßt einen Ventilsitzkörper 5, der über mindestens einen Drallkanal 34 verfügt. Übereinstimmende Bauteile sind in den Figuren jeweils mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen. Zwischen dem Ventilsitzkörper 5 und dem Ventilschließkörper 4 ist eine sich im Ausführungsbeispiel in Strömungsrichtung verjüngende Drallkammer 35 ausgebildet, wobei die Verjüngung durch einen sich gegen die Strömungsrichtung erweiternden Abschnitt 38 der Ventilnadel 3 gebildet wird. Das Volumen der Drallkammer 35 ist vorzugsweise so bemessen, daß das Totvolumen minimal ist und sich eine umfänglich gerichtete Drallströmung bei Einströmen von Brennstoff in die Drallkammer 35 ausbilden kann. Die Drallkammer 35 wird, in Strömungsrichtung betrachtet, am stromaufwärtigen Ende durch einen Durchmesserabsatz 39 der Ventilnadel 3 und am stromabwärtigen Ende durch die Auflage des Ventilschließkörpers 4 auf dem Ventilsitzkörper 5 begrenzt. Das Volumen der Drallkammer 35 ist im Bereich der Einmündung der Drallkanäle 34 am größten.
Bei einer Verlängerung der eingezeichneten axialen Symmetrieachsen der Drallkanäle 34 wird ersichtlich, daß die Drallkanäle 34 soweit gegen die Mittelachse der Ventilnadel 3 geneigt sind, daß erwähnte Verlängerung nicht auf Bestandteile des Ventilsitzkörpers 5 treffen. Dies hat entscheidende Vorteile bei der Herstellung des Brennstoffeinspritzventils 1. So kann bei der Herstellung der Drallkanäle im Ventilsitzkörper 5, insbesondere beim Laserbohren von radial außen nach radial innen, auf eine Schutzform verzichtet werden, welche sonst die Innenseite des Ventilsitzkörpers 5 schützen müßte. Durch den Verzicht auf die Schutzform ergeben sich weitere Vorteile. So entfallen insbesondere Nacharbeitungsschritte zur Entfernung von, vom Beschuß der Schutzform herrührenden, dem Ventilsitzkörper 5 dann anhaftenden Anlagerungen. Im weiteren wird durch den Verzicht der Schutzform eine Freiblasung bzw. Absaugung von Schlacke und Schmelze aus dem Drallkanal 34 bei der, Drallkanalherstellung durch Laserbohren wesentlich erleichtert, insbesondere da die Schutzform die entstehende Öffnung des inneren Dralllcanalendes versperren würde und somit kein durch den Drallkanal 34 durchgehender Reinigungsstrom entstehen könnte.
Fig. 3 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen Schnitt durch das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 entlang der Linie III-III.
Durch eine tangentiale Komponente des Drallkanals 34 relativ zur Mittelachse 37 der Ventilnadel 3 des Brennstoffeinspritzventils 1 tritt Brennstoff nicht direkt radial in die zwischen dem Ventilsitzkörper 5 und dem Ventilschließkörper 4 ausgebildete Drallkammer 35 ein, so daß sich eine in Umfangsrichtung gerichtete Drallströmung ausbilden kann. Die Geschwindigkeit der Drallströmung wird in Abspritzrichtung durch die sich verjüngende Drallkammer 35 erhöht, so daß der durch die Abspritsöffnung 7 abgespritzte Brennstoff eine homogene und symmetrische Brennstoffwolke erzeugt.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und z. B. für beliebige Bauformen von Brennstoffeinspritzventilen 1, insbesondere für nach außen öffnende Brennstoffeinspritzventile 1, anwendbar.

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Ventilnadel (3), die an ihrem abspritzseitigen Ende einen Ventilschließkörper (4) aufweist, der mit einer Ventilsitzfläche (6), die an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildet ist, zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, zumindest einem Drallkanal (34) in einem die Ventilnadel (3) umgebenden Abschnitt (36) eines Ventilbauteils und zumindest einer stromabwärts des Dichtsitzes vorgesehenen Abspritzöffnung (7), durch welche der Brennstoff in einer Abspritzrichtung abgespritzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drallkanal (34) in Strömungsrichtung des Brennstoffs durch den Drallkanal (34) betrachtet, zur Mittelachse (37) der Ventilnadel (3) entgegen der Abspritzrichtung geneigt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drallkanal (34) soweit geneigt ist, daß seine gedachten axialen Verlängerungen nicht auf Bestandteile des Ventilsitzkörpers (5) treffen.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest zwei Drallkanäle (34) vorgesehen sind, wobei sich die Neigung der Drallkanäle (34) zur Mittelachse (37) der Ventilnadel (3) unterscheidet.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die gedachte Verlängerung des zumindest einen Drallkanals (34) nicht zur Mittelachse (37) der Ventilnadel (3) gerichtet ist, sondern versetzt dazu einen tangentialen Richtungsanteil aufweist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest zwei Drallkanäle (34) vorgesehen sind, wobei sich die Drallkanäle (34) im Versatz zur Mittelachse (37) der Ventilnadel (3) voneinander unterscheiden.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Drallkanäle (34) vorgesehen sind und die Drallkanäle (34), in Bezug auf die Mittelachse (37) der Ventilnadel (3) in Umfangsrichtung unterschiedliche Abstände voneinander aufweisen.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Drallkammer (35) , in welche der zumindest eine Drallkanal (34) ausmündet, stromaufwärts der Ventilsitzfläche (6) vorgesehen ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Drallkammer (35) in der Strömungsrichtung des Brennstoffs verjüngt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verjüngung der Drallkammer (35) durch einen sich in Abspritzrichtung erweiternden Abschnitt (38) der Ventilnadel (3) geschaffen ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der die Ventilnadel (3) umgebende Abschnitt (36) des Ventilsitzkörpers (5) mindestens einen Teil der Ventilschließkörperführung übernimmt.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Querschnittsform des zumindest einen Drallkanals (34) kreisförmig, elliptisch oder vieleckig, insbesondere quadratisch, rechteckig, dreieckig oder trapezförmig, ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Brennstoffeinspritzventil (1) mehr als eine Abspritzöffnung (7) aufweist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zumindest eine Drallkanal (34) durch Laserbohren herstellbar ist, wobei die Bohrrichtung mit der Strömungsrichtung des Brennstoffs durch den Drallkanal (34) identisch ist.