WO2002084112A1

WO2002084112A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: WO2002084112A1
Application number: PCT/DE2002/001333
Authority: WO
Inventors: Günter DANTES; Detlef Nowak; Jörg HEYSE
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2002-10-24
Also published as: EP1379777A1; DE10118273A1; DE50202627D1; JP4083023B2; EP1379777B1; JP2004518909A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil, das ein bewegliches Ventilteil (20) aufweist, welches zum Öffnen und Schliessen des Ventils mit einem festen Ventilsitz (27) zusammenwirkt, der an einem Ventilsitzelement (26) ausgebildet ist. Stromabwärts des Ventilsitzes (27) ist eine Zerstäuberscheibe (30) angeordnet. Die Zerstäuberscheibe (30) hat eine erste stromaufwärtige Lage (58), in die Brennstoff zentral einströmt und in der wenigstens e in radial verlaufender Öffnungsbereich (61) vorgesehen ist, der radial nach aussen vom Brennstoff durchströmbar ist und der mit einer Prallwandung (63) endet. Stromabwärts der Prallwandung (63) schliesst sich in einer zweiten stromabwärtigen Lage (59) der Zerstäuberscheibe (30) eine schlitzförmige Austrittsöffnung (64) quer an, wodurch der Brennstoff aufgefächert und feinstzerstäubt wird. Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine.

Description

Brennstoffeinspritzventil

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1.

Aus der EP 0 611 886 AI ist bereits ein elektromagnetisch betätigbares Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem stromabwärts eines Ventilsitzes eine Lochscheibe bzw. ein Lochscheibenpaket vorgesehen ist. Die zwei aufeinanderliegenden Lochplättchen sind jeweils mit wenigstens einem schlitzförmigen Durchgangsloch ausgeformt. Die Schlitze der einzelnen Plättchen sind derart angeordnet, dass sie sich bei einer Projektion in eine Ebene grundsätzlich schneiden, und zwar im rechten Winkel zueinander. Ein in den Schlitz des stromaufwärtigen Plättchens einströmender Brennstoff strömt von außen zur Mitte des Schlitzes, wo er von dem Schlitz des stromabwärtigen Plättchens untergraben ist. Im Schnittbereich der beiden Schlitze befindet sich somit eine Durchgangsöffnung durch die gesamte Lochscheibenanordnung, durch die der Brennstoff letztlich abgespritzt wird. Die grabenförmigen Schlitze weisen pyramidenstumpfför ige Wandungen auf, da sie mittels Ätzen in Siliziumscheiben eingebracht sind. In der DE-OS 196 07 288 wurde bereits die sogenannte Multilayergalvanik zur Herstellung von Lochscheiben, die insbesondere für den Einsatz an Brennstoffeinspritzventilen geeignet sind, ausführlich beschrieben. Dieses

Herstellungsprinzip einer Scheibenherstellung durch mehrfaches galvanisches Metallabscheiden verschiedener Strukturen aufeinander, so dass eine einteilige Scheibe vorliegt, soll ausdrucklich zum Offenbarungsgehalt vorliegender Erfindung zahlen. Die mikrogalvanische

Metallabscheidung in mehreren Ebenen, Lagen bzw. Schichten kann auch zur Herstellung der erfindungsgemaßen Facherstrahldusenscheibe zum Einsatz kommen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemaße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass mit ihm eine sehr hohe Zerstaubungsgute eines abzuspritzenden Brennstoffs erzielt wird. Mit dem erfindungsgemaßen Brennstoffeinspritzventil ist in einer an ihm integrierten Zerstauberscheibe, die von der Funktion her als Facherstrahldusenscheibe bezeichnet werden kann, eine Auffacherung des Brennstoffs möglich, mit der optimale Spraybilder insbesondere beim direkten Einspritzen von

Brennstoff in einen Brennraum erzeugt werden können. Als Konsequenz können an einem Einspritzventil einer Brennkraftmaschine u.a. die Abgasemission der Brennkraftmaschine reduziert und ebenso eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs erzielt werden.

In vorteilhafter Weise ist die Zerstauberscheibe mit wenigstens einem radial verlaufenden Offnungsbereich versehen, der an einer Prallwandung endet und von der aus der Brennstoff aufgrund der Schlitzanordnung weitgehend senkrecht zur Stromungsrichtung im Offnungsbereich aufgefächert wird.

Durch die in den Unteranspruchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im

Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Von Vorteil ist es, mehr als einen Offnungsbereich in der Zerstauberscheibe vorzusehen. Durch eine gezielte Anzahl an Offnungsbereichen kann beispielsweise ein gewünschtes schräg abgespritztes Spray erzeugt werden. Andererseits kann bei einer symmetrischen Anordnung von Offnungsbereichen, z.B. mit vier Offnungsbereichen, ein gleichmäßiges feinstzerstaubtes Spray, zusammengesetzt aus mehreren Facherstrahlen, abgegeben werden.

Besonders vorteilhaft ist es, die Zerstauberscheibe mittels der sogenannten Multilayergalvanik herzustellen. Aufgrund ihrer metallischen Ausbildung sind solche Zerstauberscheiben sehr bruchsicher und gut montierbar. Die Anwendung der Multilayergalvanik erlaubt eine extrem große Gestaltungsfreiheit, da die Konturen der Offnungsbereiche in der Zerstauberscheibe frei wahlbar sind. Besonders im Vergleich zu Siliziumscheiben, bei denen aufgrund der Kristallachsen erreichbare Konturen streng vorgegeben sind (Pyramidenstumpfe) , ist diese flexible Formgebung sehr vorteilhaft.

Das metallische Abscheiden hat besonders im Vergleich zur Herstellung von Siliziumscheiben den Vorteil einer sehr großen Materialvielfalt. Die verschiedensten Metalle mit ihren unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften und Harten können bei der zur Herstellung der Zerstauberscheiben verwendeten Mikrogalvanik zum Einsatz kommen. Durch den Galvanikprozess werden die einzelnen Schichten ohne Trenn- oder Fugestellen so aufeinander aufgebaut, dass sie durchgehend homogenes Material darstellen. Insofern sind „Schichten" als gedankliches Hilfsmittel zu verstehen.

Zeichnung

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein

Brennstoffeinspritzventil im Schnitt, Figur 2 den Ausschnitt II in Figur 1 im Bereich des Ventilsitzes und der erfindungsgemaßen Facherstrahldusenscheibe und Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2 durch eine obere Lage bzw. Schicht der Facherstrahldusenscheibe.

Beschreibung des Ausfuhrungsbeispieles

Das in der Figur 1 beispielhaft dargestellte elektromagnetisch betatigbare Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezundeten Brennkraftmaschinen hat einen von einer Magnetspule 1 zumindest teilweise umgebenen, als Innenpol eines Magnetkreises dienenden, rohrformigen, weitgehend hohlzylindrischen Kern 2. Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders als Hochdruckeinspritzventil zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.

Ein beispielsweise gestufter Spulenkorper 3 aus Kunststoff nimmt eine Bewicklung der Magnetspule 1 auf und ermöglicht in Verbindung mit dem Kern 2 und einem ringförmigen, nichtmagnetischen, von der Magnetspule 1 teilweise umgebenen Zwischenteil 4 einen besonders kompakten und kurzen Aufbau des Einspritzventils im Bereich der Magnetspule 1. In dem Kern 2 ist eine durchgangige Langsoffnung 7 vorgesehen, die sich entlang einer Ventillangsachse 8 erstreckt. Der Kern 2 des Magnetkreises dient auch als Brennstoffeinlassstutzen, wobei die Langsoffnung 7 einen

Brennstoffzufuhrkanal darstellt. Mit dem Kern 2 oberhalb der Magnetspule 1 fest verbunden ist ein äußeres metallenes (z. B. ferritisches) Gehauseteil 14, das als Außenpol bzw. äußeres Leitelement den Magnetkreis schließt und die Magnetspule 1 zumindest in Umfangsrichtung vollständig umgibt. In der Langsoffnung 7 des Kerns 2 ist zulaufseitig ein Brennstofffilter 15 vorgesehen, der für die Herausfiltrierung solcher Brennstoffbestandteile sorgt, die aufgrund ihrer Große im' Einspritzventil Verstopfungen oder Beschädigungen verursachen konnten.

An das obere Gehauseteil 14 schließt sich dicht und fest ein unteres rohrformiges Gehauseteil 18 an, das z. B. ein axial bewegliches Ventilteil bestehend aus einem Anker 19 und einer stangenformigen Ventilnadel 20 bzw. einen langgestreckten Ventilsitztrager 21 umschließt bzw. aufnimmt. Die beiden Gehauseteile 14 und 18 sind z. B. mit einer umlaufenden Schweißnaht fest miteinander verbunden. Die Abdichtung zwischen dem Gehauseteil 18 und dem Ventilsitztrager 21 erfolgt z. B. mittels eines Dichtrings 22.

Mit seinem unteren Ende 25, das auch zugleich den stromabwartigen Abschluss des gesamten Brennstoffeinspritzventils darstellt, umgibt der

Ventilsitztrager 21 ein in einer Durchgangsoffnung 24 eingepasstes scheibenförmiges Ventilsitzelement 26 mit einer sich z.B. stromabwärts kegelstumpfformig verjungenden Ventilsitzflache 27. In der Durchgangsoffnung 24 ist die Ventilnadel 20 angeordnet, die an ihrem stromabwartigen Ende einen Ventilschließabschnitt 28 aufweist. Dieser beispielsweise sich keglig verjungende

Ventilschließabschnitt 28 wirkt in bekannter Weise mit der Ventilsitzflache 27 zusammen. Stromabwarts der

Ventilsitzflache 27 folgt dem Ventilsitzelement 26 eine Zerstauberscheibe 30, die im folgenden aufgrund ihrer besonderen Funktion als sogenannte Facherstrahldusenscheibe bezeichnet wird und die beispielsweise mittels Multilayergalvanik hergestellt ist und zwei aufeinander abgeschiedene metallische Schichten umfasst.

Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise z.B. elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 20 und damit zum Offnen entgegen der Federkraft einer in der Langsoffnung 7 des Kerns 2 angeordneten Ruckstellfeder 33 bzw. Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1, dem Kern 2, den Gehauseteilen 14 und 18 und dem Anker 19. Zur Fuhrung der Ventilnadel 20 wahrend ihrer Axialbewegung mit dem Anker 19 entlang der Ventillangsachse 8 dient einerseits eine im Ventilsitztrager 21 am dem Anker 19 zugewandten Ende vorgesehene Fuhrungsoffnung 34 und andererseits ein stromaufwärts des Ventilsitzelements 26 angeordnetes scheibenförmiges Fuhrungselement 35 mit einer maßgenauen Fuhrungsoffnung 36.

Anstelle des elektromagnetischen Kreises kann auch ein anderer erregbarer Aktuator, wie z.B. ein Piezostack, in einem vergleichbaren Brennstoffemspritzventil verwendet werden bzw. das Betatigen des axial beweglichen Ventilteils durch einen hydraulischen Druck oder Servodruck erfolgen. Eine in der Langsoffnung 7 des Kerns 2 eingeschobene, eingepresste oder eingeschraubte Einstellhulse 38 dient zur Einstellung der Federvorspannung der über ein Zentrierstuck 39 mit ihrer stromaufwartigen Seite an der Einstellhulse 38 anliegenden Ruckstellfeder 33, die sich mit ihrer gegenüberliegenden Seite am Anker 19 abstutzt. Im Anker 19 sind ein oder mehrere bohrungsahnliche Stromungskanale 40 vorgesehen, durch die der Brennstoff von der Langsoffnung 7 im Kern 2 aus über stromabwärts der Stromungskanale 40 ausgebildete Verbindungskanale 41 nahe der Fuhrungsoffnung 34 im Ventilsitztrager 21 bis in die Durchgangsoffnung 24 gelangen kann.

Der Hub der Ventilnadel 20 wird durch die Einbaulage des Ventilsitzelements 26 vorgegeben. Eine Endstellung der

Ventilnadel 20 ist bei nicht erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ventilschließabschnitts 28 an der Ventilsitzflache 27 festgelegt, wahrend sich die andere Endstellung der Ventilnadel 20 bei erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ankers 19 an der stromabwartigen Stirnseite des Kerns 2 ergibt.

Die elektrische Kontaktierung der Magnetspule 1 und damit deren Erregung erfolgt über Kontaktelemente 43, die außerhalb des Spulenkorpers 3 mit einer

Kunststoffumspritzung 44 versehen sind und weiter als Anschlusskabel 45 verlaufen. Die Kunststoffumspritzung 44 kann sich auch über weitere Bauteile (z. B. Gehauseteile 14 und 18) des Brennstoffeinspritzventils erstrecken.

Ein erster Absatz 49 in der Durchgangsoffnung 24 dient als Anlageflache für eine z.B. schraubenförmige Druckfeder 50. Mit einer zweiten Stufe 51 wird ein vergrößerter Einbauraum für die drei scheibenförmigen Elemente 35, 26 und 30 geschaffen. Die die Ventilnadel 20 umhüllende Druckfeder 50 verspannt das Fuhrungselement 35 im Ventilsitztrager 21, da sie mit ihrer dem Absatz 49 gegenüberliegenden Seite gegen das Fuhrungselement 35 druckt. Stromabwarts der Ventilsitzflache 27 ist im Ventilsitzelement 26 eine zentrale Austrittsoffnung 53 eingebracht, durch die der bei geöffnetem Ventil an der Ventilsitzflache 27 entlangstromende Brennstoff strömt, um nachfolgend in eine erste Lage 58 der Facherstrahldusenscheibe 30 einzutreten. Die Facherstrahldusenscheibe 30 liegt beispielsweise in einer Vertiefung 54 eines scheibenförmigen Halteelements 55 vor, wobei das Halteelement 55 fest mit dem Ventilsitztrager 21 z.B. mittels Schweißen, Kleben oder durch Verklemmen verbunden ist. In dem Halteelement 55 ist eine zentrale Auslassoffnung 56 ausgebildet, durch die der aufgefächerte Brennstoff das Brennstoffeinspritzventil verlasst.

Figur 2 zeigt den Ausschnitt II in Figur 1 zur Verdeutlichung der Geometrie der Facherstrahldusenscheibe 30. Figur 3 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie III-III in Figur 2, um die Konturen der Offnungsgeometrie innerhalb der Facherstrahldusenscheibe 30 zu verdeutlichen. Um die Anstromung der Facherstrahldusenscheibe 30 naher zu charakterisieren, wurde in Figur 3 noch zusatzlich die Austrittsoffnung 53 des Ventilsitzelements 26 eingezeichnet.

Gebildet wird die Facherstrahldusenscheibe 30 aus zwei galvanisch aufeinander abgeschiedenen Ebenen, Lagen bzw. Schichten, die somit im eingebauten Zustand axial aufeinander folgen. Die beiden Lagen 58 und 59 der

Facherstrahldusenscheibe 30 weisen z.B. den gleichen Außendurchmesser auf. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Anstromung der Facherstrahldusenscheibe 30 über die zentrale Austrittsoffnung 53 in die Offnungskontur der Facherstrahldusenscheibe 30 hinein. Da die untere Lage 59 zumindest im Bereich rund um die Ventillangsachse 8 vollständig massiv ausgeführt ist, wird der einströmende Brennstoff an der der ersten Lage 58 zugewandten Oberflache 60 der unteren Lage 59 umgelenkt, um radial nach außen zu strömen.

In der ersten Lage 58 ist wenigstens ein radial verlaufender Offnungsbereich 61 vorgesehen, der über die gesamte axiale Dicke dieser Lage 58 verlauft und von der unteren

Stirnflache 62 des Ventilsitzelements 26 begrenzt wird. Wie der Figur 3 zu entnehmen ist, ist es vorteilhaft, mehrere radiale Offnungsbereiche 61 auszubilden. Denkbar sind z.B. zwischen zwei und zehn Offnungsbereiche 61. Sind vier kanalartige Offnungsbereiche 61 vorgesehen, so verlaufen diese beispielsweise in der Gesamtkontur strahlformig und bilden zusammen ein Kreuz, so dass die einzelnen Offnungsbereiche also jeweils in einem Winkel von 90° zueinander liegen. Jeder kanalartige Offnungsbereich 61 endet an einer Prallwandung 63, auf die die radial verlaufende Strömung auftrifft.

In der unteren Lage 59 der Facherstrahldusenscheibe 30 ist nur eine schlitzartige Offnungskontur eingebracht. Im Bereich jeder Prallwandung 63 schließt sich in stromabwartiger Richtung in der unteren Lage 59 eine schlitzförmige Austrittsoffnung 64 an. Die radial außen liegende Wandung 65 jeder Austrittsoffnung 64 verlauft fluchtend zur jeweiligen Prallwandung 63 und stellt somit letztlich deren stromabwartige Verlängerung dar. Die schlitzförmigen Austrittsoffnungen 64 weisen eine größere Lange L auf als die Breite 1 des in sie mundenden Offnungsbereichs 61. Wie in Figur 3 gezeigt ist, gilt L > 1. Da die Austrittsoffnungen 64 in ihrer Langserstreckung weitgehend senkrecht zu den Offnungsbereichen 61 verlaufen, kann sich die auf die Prallwandung 63 treffende Strömung im rechten Winkel dazu entsprechend der Große der Austrittsoffnung 64 auffächern, und der Brennstoff wird fein zerstaubt in einer Facherstrahlgeometrie abgegeben.

Die Dicke der unteren Lage 59 und damit die axiale Lange der Austrittsoffnungen 64 sind Ausschlag gebend für die Strahlauffacherung und -ablenkung. Über die Querschnittsflachen der Offnungsbereiche 61 lasst sich die Homogenitat des abzuspritzenden Facherstrahls einstellen. Durch die Anzahl und die Anordnung der Austrittsoffnungen 64 ist die Strahlform veränderbar. Neben den in Figur 3 gezeigten geradlinigen Austrittsoffnungen 64 sind auch geschlitzte bogenförmige Austrittsoffnungen 64 denkbar. Die Facherstrahldusenscheibe 30 kann auch im Gegensatz zur in Figur 1 gezeigten Einbauvariante schräg geneigt zur Ventillangsachse 8 befestigt sein, so dass das Brennstoffspray unter einem Winkel γ zur Ventillangsachse 8 abgespritzt wird.

Die Facherstrahldusenscheibe 30 wird in zwei metallischen Schichten beispielsweise durch galvanische Abscheidung aufgebaut (Multilayergalvanik) . Aufgrund der tiefenlithographischen, galvanotechnischen Herstellung gibt es besondere Merkmale in der Konturgebung, von denen hiermit einige in Kurzform zusammenfassend aufgeführt sind:

- Schichten mit über die Scheibenflache konstanter Dicke,

- durch die tiefenlithographische Strukturierung weitgehend senkrechte Einschnitte in den Schichten, welche die jeweils durchströmten Hohlräume bilden (fertigungstechnisch bedingte Abweichungen von ca. 3° gegenüber optimal senkrechten Wandungen können auftreten) , - gewünschte Hinterschneidungen und Überdeckungen der Einschnitte durch mehrlagigen Aufbau einzeln strukturierter Metallschichten,

- Einschnitte mit beliebigen, weitgehend achsparallele Wandungen aufweisenden Querschnittsformen,

- einteilige Ausführung der Facherstrahldusenscheibe, da die einzelnen Metallabscheidungen unmittelbar aufeinander erfolgen.

Andererseits ist es jedoch ebenso denkbar, die

Facherstrahldusenscheibe 30 stanz- und prägetechnisch, erodiertechnisch oder ätztechnisch herzustellen.

Claims

Ansprüche

1. Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Ventillangsachse (8), mit einem Aktuator (1, 2, 14, 18, 19), mit einem beweglichen Ventilteil (20), das zum Offnen und Schließen des Ventils mit einem festen Ventilsitz (27) zusammenwirkt, der an einem Ventilsitzelement (26) ausgebildet ist, und mit einer stromabwärts des Ventilsitzes (27) angeordneten

Zerstauberscheibe (30) , dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstauberscheibe (30) eine erste stromaufwartige Lage (58) hat, in die Brennstoff zentral einstrombar ist und in der wenigstens ein radial verlaufender Offnungsbereich (61) vorgesehen ist, der radial nach außen vom Brennstoff durchstrombar ist und der mit einer Prallwandung (63) endet, und dass sich stromabwärts der Prallwandung (63) in einer zweiten stromabwartigen Lage (59) der Zerstauberscheibe (30) eine schlitzförmige Austrittsoffnung (64) anschließt.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Offnungsbereich

(61) kanalartig verlauft und von einer unteren Stirnflache

(62) des Ventilsitzelements (26) und von einer Oberflache (60) der zweiten Lage (59) begrenzt wird.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radial außen liegende Wandung (65) der Austrittsoffnung (64) zumindest im Bereich der Prallwandung (63) fluchtend zu dieser verlauft und somit deren stromabwartige Verlängerung darstellt.

4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Langserstreckung der schlitzförmigen Austrittsoffnung (64) weitgehend senkrecht zu dem Offnungsbereich (61) verlauft.

5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Austrittsoffnung (64) geradlinig oder bogenförmig verlauft.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lange (L) der Austrittsoffnung (64) großer ist als die Breite (1) des in sie mundenden Offnungsbereichs (61).

7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vier

Offnungsbereiche (61) in der Zerstauberscheibe (30) mit jeweils einer Austrittsoffnung (64) vorgesehen sind.

8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Offnungsbereiche (61) in der ersten Lage (58) eine kreuzförmige Offnungskontur bilden.

9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstauberscheibe (30) mittels galvanischer Metallabscheidung herstellbar ist.

10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Lagen (58, 59) der Zerstäuberscheibe (30) als zwei metallisch abgeschiedene Schichten aufeinander aufgebaut sind.