Brennstoffeinspritzventil
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs .
Aus der DE 197 36 682 AI ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, welches einen Führungskörper (dort als Führungseiement 35 bezeichnet) zur Führung des unteren, stromab ärtigeri Endes der Ventilnadel aufweist. Das untere, stromabwärtige Ende der ' Ventilnadel wird als Ventilschließkörper bezeichnet und dient im Zusammenspiel mit dem Führungskörper insbesondere zur Abdichtung der
Drallkammer gegen Eindringen von unverdrallte Brennstoff,
■ der sich stromaufwärtig des Führungskörpers befindet.
Erreicht wird die abdichtende Wirkung durch ein relativ geringes Führungsspiel , verschleißarme Werkstoffe und geringe Fertigungstoleranzen.
Nachteilig bei dem aus den obengenannten Druckschriften bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere, daß der Zustrom von unverdralltem Brennstoff in die Brennkammer, durch den zwischen Führungskörper und Ventilschließkörper befindlichen- Spalt, nur unzureichend erzielt wird. Der Zustrom von unverdralltem Brennstoff durch den beschriebenen Spalt wird auch als Leckagestrom bezeichnet. Um den
Leckagestrom über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils möglichst gering zu halten, wird der Spalt durch den Einsatz geringer Fertigungstoleranzen klein gehalten. Fertigungstoleranzen sind zum einen, nicht beliebig klein realisierbar, haben also Grenzen, zum anderen verteuern sie sich in der Herstellung überproportional je näher die Fertigungstoleranzen zu jenen Grenzen hin gewählt werden. Zusätzlich weitet sich der Spalt im Verlauf der Lebensdauer durch Reibungsverschleiß. Um eine möglichst große Lebensdauer zu erreichen und um die Spaltweitung während dieser Dauer zu begrenzen, müssen teuere verschleißarme Werkstoffe eingesetzt werden, die zudem meist nur schwer und damit kostenintensiv zu bearbeiten sind. Schließlich muß eine gewisse Spaltwe.ite, aufgrund der extremen Temperaturbandbreite, dem das Brennstoffeinspritzventil im Betrieb ausgesetzt ist, eingehalten werden, da sonst ein zuverlässiger Betrieb auf Grund von Temperaturausdehnungen nicht gewährleistet werden kann.
Prinzipbedingt tritt, verursacht durch das sog. Totraumvolumen, bei Beginn der Einspitzung zuerst ein sog. Vorstrahl aus der Abspritzöffnung. Dieser Vorstrahl ist weitgehend unverdrallt und stets unerwünscht, da er nicht der gewünschten Geometrie der eingespritzten Brennstoffwolke entspricht und insbesondere bei direkter Brennstoffeinspritzung in den Brennraum Ablagerungen im Bereich der Abspritzöffnung hervorruft, diesen aber zumindest nicht entgegenwirkt. Der Leckagestrom behindert maßgeblich die Drallaufbereitung des Brennstoffes und führt zu einem zeitlich verlängerten und vergrößerten Vorstrahl . Der Leckagestrom vergrößert sich im Laufe der Lebensdauer derart , daß sich die Durchflußwerte q^yn un-d Qstat außerhalb der zulässigen Toleranz bewegen.
Um dem entgegenzuwirken können Nadelhub und Ventilöffungzeiten klein gewählt, sowie die Anzahl der Drallkanäle erhöht werden. Dadurch wird ein langsamer und ungestörter Drallaufbau erreicht. Diese Maßnahmen führen
jedoch gleichzeitig zu einer geringeren Ventildyna ik. Die erhöhte Anzahl von Drallkanälen erhöht den konstruktiven Aufwand und damit die Kosten. Der langsamere Drallaufbau erhöht die Schmutsempfindlichkeit und damit die Gefahr von Ablagerungen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der durch den Spalt zwischen Führungskörper und Ventilschließkorper hindurchtretende Leckagestrom von Brennstoff unterbunden ist. Durch die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung kann gleichzeitig auf kostenintensive Maßnahmen zur Reduzierung des Leckagestroms, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, verzichtet werden. Insbesondere kann auf kostenintensive geringe Fertigungstoleranzen zur Herstellung eines minimierten Spaltes zwischen dem Führungskörper und dem in ihm geführten Ventilschließkorper verzichtet werden. Im weiteren können die für den Führungskörper und den Ventilschließkorper eingesetzten Materialien, insbesondere hinsichtlich Führungsfunktion, optimiert werden, da die Aufgabe der LeckageStromabdichtung nicht mehr in den Aufgabenbereich dieser Bauteile fällt .
Da kein Leckagestrom stattfindet, ist die Drallausbildung, insbesondere zu ihrem Beginn, verbessert und der Vorstrahl ist vermindert. Da die abdichtende Wirkung der erfindungsgemäßen Dichtvorrichtung dauerhaft ist, d.h. keinem Verschleiß unterliegt, der über die Lebensdauer eine Erhöhung des Leckagestroms bewirkt, können die zulässigen Grenzwerte der Strahlwinkel über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils sicher eingehalten werden, ebenso die geforderten Druchflußwerte qdyn und Qstat, ohne auf Maßnahmen zurückgreifen zu müssen, die der Ventildynamik abträglich sind.
Die Gefahr einer Ablagerung an der Abspritzgeometrie eines Brennstoffeinspritzventils ist bei Abspritzgeometrien, die unmittelbar in den Brennraum ragen oder mit diesem unmittelbar in Kontakt stehen, vergrößert. Die sich beim erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil zu Einspritzbeginn frühzeitig entwickelnde Drallausbildung reduziert die Gefahr einer Bildung von Ablagerungen an der Abspritzgeometrie .
Besonders vorteilhaft kann die Erfindung bei Brennstoffeinspritzventilen angewandt werden, die eine sog. kardanische Ventilnadelführung aufweisen, da hier die Problematik der Leckagestromabdichtung besonders kritisch ist. Die kardanische Ventilnadelführung weist am abspritzseitigen Ende der Ventilnadel einen kugelförmigen Ventilschließkorper auf, der in einem Führungskörper geführt wird. Die dichtende Wirkung zur Verhinderung des Leckagestroms, wird hier durch das Zusammenspiel von Innenfläche des Führungskörpers und dem nur kurzen unmittelbaren Bereich um den Kugeläquator des Ventilschließkörpers erreicht. Aufgrund der im Vergleich zu Brennstoffeinspritzventilen mit zylinderförmigem Ventilschließkorper stark verkürzten Dichtlänge der unteren Ventilnadelführung, ist die Einhaltung von Grenzwerten noch schwerer zu beherrschen. Insbesondere ist der Verschleiß sowie die Abhängigkeit des Leckagestromes vom Verschleiß erhöht. Trotzdem weisen Brennstoffeinspritzventile mit kardanischer Ventilnadelführung andere Vorteile auf. Insbesondere lassen sie sich wesentlich kostengünstiger herstellen als Ausführungen mit zylinderförmigem Ventilschließkorper. Die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung erlaubt Kosteneinsparungen in doppelter Hinsicht. Zum einen ist die Maßnahme selbst, im Vergleich zu den Maßnahmen des Standes der Technik, kostengünstiger. Zum anderen erlaubt sie den Einsatz der kostengünstigen kardanischen Ventilnadelführung.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Vorteilhafterweise kann die Dichtvorrichtung über einen Flansch an der Ventilnadel so angebracht sein, daß der elastische Teil der Dichtvorrichtung den Schließvorgang bzw. Öffnungsvorgang des Brennstoffeinspritzventils beeinflußt. Die Bewegungen der Ventilnadel können dabei insbesondere gedämpft, verlangsamt oder beschleunigt werden.
Die Form des von der Dichtvorrichtung umfaßten elastischen Dichtkörpers soll den konstruktiven Erfordernissen anpaßbar sein. So ist z.B. ein torusför iger , elastischer Dichtkörper vorstellbar, der nur durch seine äußere Form in seiner Position, z.B. zwischen einem Flansch und dem Fuhrungskorper, gehalten wird, wobei er ständig von einer Druckkraft von außen beaufschlagt ist. Zusätzlich können Reibungskräfte oder Klebeverbindungen den elastischen Dichtkörper in seiner Position halten.
Von Vorteil ist außerdem, daß der elastische Dichtkδrper aus einem Elastomer besteht, da diese über weite
Temperaturbereiche ihre elastischen Eigenschaften beibehalten.
Wenn die Ventilnadel den Flansch bzw. den elastischen Dichtkörper durchgreift und der Flansch sowie das elastische Dichtelement scheibenförmig sind, können Flansch, elastischer Dichtkörper, Ventilnadel und Führungskörper mit den zwischen diesen Teilen auftretenden Kräften flächenmäßig gleichmäßig 'beaufschlagt werden. Die dichtende Anordnung von elastischem Dichtkörper zwischen Flansch und Fuhrungskorper hat insbesondere den Vorteil, das elastische Dichtelement nicht unmittelbar mit der Ventilnadel verbinden zu müssen. Bei einer unmittelbaren Verbindung von Ventilnadel und elastischem Dichtelement würden sich die auftretenden Scherkräfte ungünstig auf die Lebensdauer der Verbindung auswirken .
Weitere Vorteile ergeben sich beispielsweise bei einem L- förmigen Profil- des Flansches, das sich kostengünstig spanlos herstellen läßt und durch die spanlose Herstellung außerdem eine höhere Festigkeit aufweist.
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 ;
Fig. 2 einen schematischen Teilschnitt des abspritzseitigen Endes des Ausführungsbeispiels des er indungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils und
Fig. 3 eine Detailvergrößerung des mit III bezeichneten Ausschnitts des in Fig. 2 dargestellten schematischen Teilausschnitts im Bereich von Ventilschließkorper und Führungskörper.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, remdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraf maschine .
Das Brennsto feinspritzventil 1 besteht aus einem Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist.
Die Ventilnadel 3 steht mit einem Ventilschließkorper 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, welches über eine Abspritzöffnung 7 verfügt. Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen einen 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 ferromagnetiscb.es 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 im Düsenkörper 2 verlaufen Brennstof kanäle 30a bis 30c. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffverteilerleitung und durch eine Dichtung 34 gegen einen nicht dargestellten Zylinderkopf 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.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, daß der Ventilschließkorper 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 ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende Ventilschließkorper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab, und der über die Dralleinrichtung 36 zugeführte Brennstoff wird durch die Abspritzöf nung 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 Ventilschließkorper 4 auf der Ventilsitzflache 6 aufsetzt und das . Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.
Weiterhin sind ein Führungskörper 35, eine Dralleinrichtung 36 und die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 40, bestehend aus einem Flansch 41 und einem elastischen Dichtkδrper 42, vorgesehen, die anhand von Fig. 2 näher erläutert werden.
Das in Fig. 2 ausschnittsweise vergrößert dargestellte abspritzseitige Ende des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des Brennstoffeinspritzventils 1 aus
Fig. 1 umfaßt insbesondere einen Ventilschließkorper 4, einen Fuhrungskorper 35, eine Dralleinrichtung 36 und die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 40. Die Dralleinrichtung 36 liegt stromaufwärtig der Ventilsitzfläche 6, die an dem Ventilsitzkörper 5 ausgebildet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Dralleinrichtung 36 aus einer Drallscheibe 38, deren nicht dargestellten Brennstoffkanäle eine Tangentialkomponente haben und in eine Drallkammer 37 ausmünden. Der Brennstoff wird dabei durch den Brennstoffkanal 30c, vorbei an Flansch 41, elastischem Dichtkörper 42 und Führungskörper 35 zur Drallscheibe 38 geleitet. Nachdem der Brennstoff die Drallscheibe 38 passiert hat, tritt er mit einem zur Ventilnadelachse 43 tangential verlaufenden Richtungsanteil in die Dalikammer 37 ein, wird verwirbelt und schließlich durch die Abspritzöffnung 7 in den nicht dargestellten Brennraum abgespritzt .
Die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 40, die in diesem Ausführungsbeispiel aus dem Flansch 41 und dem elastischen Dichtkörper 42 besteht, verhindert dabei in jedem Betriebszustand einen Eintrag von Brennstoff von Brennstoffkanal 30c durch den in Fig. 3 stark übertrieben dargestellten Spalt 39 zwischen Führungskörper 35 und Ventilschließkorper 4 in die Drallkammer 37. Der Flansch 41 ist dabei hydraulisch dichtend und kraftschlüssig, z.B. durch Schweißen, Löten, Kleben, Pressen und/oder Schrumpfen an der Ventilnadel 3 angebracht. Der elastische Dichtkörper 42 steht stets sowohl mit dem Flansch 41 wie auch mit der stromaufwärtigen Seite des Führungskörpers 35 in hydraulisch dichtendem Kontakt . Dazu sind die Abmessungen und die Elastizität des elastischen Dichtkörpers 42 so bemessen, daß der Dichtkörper 42 sowohl bei geschlossenem als auch bei geöffnetem Brennstoffeinspritzventil 1 eine hydraulisch dichtende Verbindung zwischen Führungskörper 35 und Flansch 41 hält.
Alle Teile der Dichtvorrichtung 40 sowie ihrer Verbindungsstellen sind temperaturbeständig und
korrosionsfest ausgeführt und des weiteren so konstruiert und angebracht, daß sie die benötigte Kraft zur Schließung des Brennstoffeinspritzventils 1 nicht wesentlich erhöhen und somit die Ventildynamik nicht wesentlich beeinflussen. Materialauswahl und Formgebung der- Teile der Dichtvorrichtung 42 sind u.a. auf geringes Gewicht hin optimiert, um Trägheitskräfte gering zu halten. Der Fuhrungskorper 35 dient der Führung des stromabwärtigen Teils der Ventilnadel 3 über den kugelförmigen Ventilschließkorper 4. Die abgebildete Anordnung mit kugelförmigem Ventilschließkorper 4, der durch den Führungskörper 35 die stromabwärtige Führung der Ventilnadel 3 übernimmt, wird auch als kardanische Ventilnadelführung bezeichnet .
Fig. 3 zeigt eine Detail ergrößerung des stark übertrieben dargestellten Spalts 39, der zwischen kugelförmigem Ventilschließkorper 4 und Fuhrungskorper 35 durch Spiel entsteht. Stromaufwärtig des Führungskörpers 35 ist der elastische Dichtkörper 42 angebracht.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und z. B. auch für nach außen öffnende Brennstoffeinspritzventile anwendbar.