Brennstoffeinspritzventil
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs .
Beispielsweise ist aus der DE 101 18 163 AI ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei welchem die in einem Ventilsitzkörper ausgebildeten Abspritzöffnungen durch einen Wulst vor den im Brennraum zirkulierenden Gemischströmungen abgeschirmt sind.
Auch aus der DE 101 30 206 AI ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei welchem die Abspritzöffnungen vor den Temperaturen und den im Brennraum zirkulierenden Gemischströmungen geschützt werden. Dies geschieht mittels eines Flammschutzsiebs, welches an einem abströmseitigen Ende des Brennstoffeinspritzventils angeordnet ist.
Nachteilig bei den aus den oben genannten Druckschriften bekannten Brennsto feinspritzventil ist insbesondere, daß die Maßnahmen zur Strahlaufbereitung und zum Schutz der Abspritzöffnungen vor Verkokungsrückständen aufwendig herzustellen sind und oft zusätzliche Bauteile erfordern. Die mit den gängigen Herstellungsmethoden in den
herkömmlichen Ventilsitzkörpern ausgebildeten Abspritzöffnungen ermöglichen zudem keine zufriedenstellende Strahlaufweitung .
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das Brennstoffeinspritzventil an einem dem Brennraum zugewandten Ende eine Spritzlochscheibe aufweist, welche aus mehreren Schichten ausgebildet ist und zumindest eine Abspritzöffnung umfaßt. Die die Schichten in Form von Bohrungen durchziehende Abspritzöffnung ist dabei durch Versätze der Bohrungen zueinander gekennzeichnet. Die Spritzlochscheibe erlaubt dadurch kürzere Abspritzöffnungen mit einer verbesserten Strahlaufbereitung sowie vielfältigen Möglichkeiten der Gestaltung der Abspritzöffnungen und dadurch weitere Verbesserungen bei der Formung der Gemischwolke.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Vorteilhafterweise sind Schichten mit Stütz-, Meß-, Wärmeleitungs- und Schutzfunktionen vorgesehen, welche in beliebiger Weise kombinierbar sind.
Ebenso ist von Vorteil, daß die Schichten aus dünnen Folien von 15 μm - 35 μm, vorzugsweise ca. 25 μm, Dicke herstellbar sind und so kurze Abspritzöffnungen mit besseren Strahlaufbereitungseigenschaften erzeugt werden können.
Von Vorteil ist außerdem, daß in den Schichten durch entsprechend angeordnete Bohrungen beliebige gestufte, schräge, sich erweiternde und/oder verengende Abspritzoffnungen herstellbar sind.
Weiterhin ist von Vorteil, daß in beliebigen Schichten Brennstoff- und Drallkanäle angeordnet sein können, um dem Brennstoff vor der Einspritzung einem Drall unterwerfen zu können .
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 erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils in einer Gesamtansicht,
Fig. 2 einen schematischen Ausschnitt aus dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich II in Fig. 1,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich II in Fig. 1,
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich II in Fig. 1,
Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich II in Fig. 1, und
Fig. 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich II in Fig. 1.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft beschrieben. Übereinstimmende Bauteile sind dabei in allen Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Ein in Fig. 1 dargestelltes erstes 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 Ventilschließkδrper 4 in Wirkverbindung, der mit einer an dem Düsenkörper 2 ausgebildeten 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 in einer Spritzlochscheibe 5 ausgebildete Abspritzöffnung 7 verfügt.
Die Spritzlochscheibe 5 ist dabei an einem dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten abströmseitigen Ende 36 des Brennstoffeinspritzventils 1 angeordnet. Sie weist erfindungsgemäß mehrere Schichten 37 auf, welche aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, um unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen zu können. Eine detaillierte Darstellung der Spritzlochscheibe 5 sowie ihrer Funktion ist den Fig. 2 bis 6 und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
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 ferromagnetisches 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 Rückstellf der 23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine Hülse 24 auf Vorspannung gebracht wird.
In der Ventilnadelführung 14 und im Anker 20 verlaufen Brennstoffkanäle 30 und 31. 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 weitere Dichtung 35 gegen einen nicht weiter 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 33 auf, welcher über eine Schweißnaht 34 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 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 ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitz läche 6 ab, und der über die Brennstoffkanäle 30 und 31 geführte Brennstoff wird durch die Abspritzöffnung 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 Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.
Fig. 2 zeigt in einer ausschnittsweisen Schnittdarstellung den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt aus dem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1.
Das direkte Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine stellt hohe Anforderungen an die Eigenschaften der Einspritzung, um die gewünschten Ziele wie z. B. geringer Brennstoffverbrauch, Einhaltung von
Emissionswerten, stabiler, ruhiger Motorlauf sowie die Verbesserung der allgemeinen Fahreigenschaften über die Lebensdauer zu erreichen. Entscheidend hierfür ist die Gestaltung der Abspritzgeometrie.
Brennstoffeinspritzventile 1 mit mehreren Abspritzöffnungen 7 sind hier besonders bevorzugt, da die Abspritzöffnungen 7 einen breiten Raum zur Modellierung der eingespritzten Gemischwolke bieten.
Bisher wurden die Strahlbilder durch herstellungstechnisch bedingt gerade durch das abströmseitige Ende 36 des Brennstoffeinspritzventils 1 verlaufende Abspritzöffnungen 7 geformt, wodurch die Ausbreitung der Gemischwolke eingeschränkt ist. Zudem darf beim direkten Einspritzen von Brennstoff das die Abspritzöffnungen 7 beinhaltende Bauteil nicht zu dünn sein, da es sonst den hohen Drücken nicht standhalten kann, was bedingt durch die Länge der Abspritzöffnungen 7 weitere Einschränkungen in der Strahlaufweitung mit sich bringt . Auch der fertigungsbedingte Minimaldurchmesser der Abspritzöffnungen 7, welcher ca. 100 μm nicht unterschreitet, schränkt die Strahlaufweitung ein, da die Anzahl der Abspritzöffnungen 7 sowie die minimale Tropfchengröße beschränkt sind.
Um den genannten Einschränkungen Rechnung zu tragen und das Strahlbild in Hinsicht auf die Eigenschaften der Brennkraftmaschine zu verbessern, ist die Spritzlochscheibe 5 des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 dabei aus mehreren Schichten 37 aufgebaut. Im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel sind drei Schichten 37 sowie eine Abspritzöffnung 7 vorgesehen. Die Schichten 37 erfüllen dabei unterschiedliche Aufgaben. Eine dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandte Außenschicht 37a ist dabei beispielsweise aus einem besonders glatten Material ausgebildet, um die Bildung von Ablagerungen zu vermindern.
Eine Zwischenschicht 37b kann beispielsweise aus Kupfer gefertigt sein und damit die Aufgabe der Wärmeleitung
übernehmen. Je kühler der Bereich um die Abspritzöffnung 7 gehalten werden kann, desto besser ist das Brennstoffeinspritzventil 1 vor Ablagerungen geschützt, da der auf dem abstrδmseitigen Ende 36 des Brennstoffeinspritzventils 1 nach der Einspritzung verbleibender Brennstoff dann flüssig bleibt und bei der nächsten Einspritzung abtransportiert wird.
Des weiteren kann eine Stützschicht 37c und/oder eine Meßschicht 37d vorgesehen sein, wobei die Stützschicht 37c vorzugsweise aus hochelastischem Material, wie z. B. einem Metall mit amorpher Struktur, und Federeigenschaften zur Aufnahme von Kräften aufgebaut ist, während die Meßschicht 37d zur Ermittlung von Drücken und Kräften im Bereich des abströmseitigen Endes 36 des Brennstoffeinspritzventils 1 konzipiert sein kann. Insbesondere die Schichten 37b, 37c und 37d können dabei beliebig vertauscht und so angeordnet sein, daß den Anforderungen an das Brennstoffeinspritzventil 1 am besten Rechnung getragen wird.
Die Abspritzöffnung 7 ist im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel gerade ausgebildet. Bedingt durch die geringe Dicke der Spritzlochscheibe 5 ist hier jedoch bereits bei einer einzelnen Abspritzöffnung 7 eine gute Strahlaufweitung möglich. Die Abspritzöffnung 7 kann auch beliebige andere Formen annehmen, wie im Folgenden beschrieben.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 im gleichen Ausschnitt wie Fig. 2.
Im Gegensatz zu dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffeinspritzventil 1 in der Spritzlochscheibe 5 zumindest zwei Abspritzöffnungen 7 auf, welche nicht parallel zu einer Längsachse 38 des Brennstoffeinspritzventils 1 verlaufen, sondern einen
Winkel α mit der Längsachse 38 einschließen. Dieser muß nicht zwingend für alle Abspritzöffnungen 7 gleich groß sein. Die Neigung der Abspritzoffnungen 7 wird dabei dadurch erzielt, daß die Position der jeweiligen Anteile der Abspritzöffnungen 7 in Form von Bohrungen 41 in jeder Schicht 37 versetzt zu der jeweils vorhergehenden Schicht 37 angeordnet sind. Die solchermaßen hergestellten Abspritzöffnungen 7 sind einfach herstellbar und können beliebig angebracht werden, um beliebige Winkel α zu erzeugen.
Durch die gestufte Anordnung der Bohrungen 41 zueinander wird eine Schuppenstruktur in den Abspritzöffnungen 7 erzeugt, welche Mikrowirbel in der BrennstoffStrömung erzeugt. Ergebnis ist ein extrem schwankungsarmer Einspritzstrahl .
Wie im vorigen Ausführungsbeispiel sind drei Schichten 37 vorgesehen, welche eine Außenschicht 37a und beliebige, an die Anforderungen an das Brennstoffeinspritzventil 1 angepaßte Zwischen-, Stütz- und/oder Meßschichten 37b, 37c, 37d umfassen können.
In Fig. 4 ist eine weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 dargestellt, welches ebenfalls zumindest zwei Abspritzöffnungen 7 sowie eine Spritzlochscheibe 5 aus sechs Schichten 37 umfaßt. Hier ist die Anzahl der Kombinationsmöglichkeiten der verschiedenen Schichten 37a bis 37d noch größer. So können Zwischen- und Stützschichten 37b und 37c in beliebiger Weise kombiniert werden. Die Außenschicht 37a bleibt der Verringerung der Ablagerungen halber jedoch vorzugsweise in allen Ausführungsbeispielen an gleicher Position.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante ist Fig. 5 zu entnehmen. Hierbei ist einerseits die Abspritzoffnung 7 gestuft ausgeführt, so daß sich die Abspritzöffnung 7 in
einer Abströmrichtung des Brennstoffs erweitert. Dies ist in einfacher Weise realisierbar, indem die Bohrungen 41 in den jeweils aufeinanderfolgenden Schichten 37 in Abströmrichtung größer werden. Vorteil dieser Ausführungsform ist die Möglichkeit der Strahlaufweitung, wodurch die Gemischwolke im Brennraum positiv beeinflußt werden kann, sowie die Bildung von Mikroverwirbelungen, welche die Gefahr von Ablagerungen vermindern.
Ebenso besteht die Möglichkeit, die Konturen der Abspritzöffnungen 7 im Zu- und Ablaufbereich so zu gestalten, daß Laval- oder Venturidüsen mit dem Vorteil geringen Druckabfalls im Bereich der Abspritzöffnungen 7 herstellbar sind.
Weiterhin umfaßt die Spritzlochscheibe 5 in einer der Schichten 37 einen Zuleitungskanal 39, durch welchen der einzuspritzende Brennstoff seitlich zugeleitet und dadurch mit einem Drall versehen werden kann. Durch den schichtweisen Aufbau der Spritzlochscheibe 5 ist es in einfacher Weise möglich, Zuleitungskanäle 39 in beliebigen Schichten 37 anzuordnen.
Die Anzahl der Schichten 37 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel wiederum drei, wovon die dem Brennraum zugewandte Außenschicht 37a in ihrer Position festgelegt ist, während die anderen beiden Schichten 37 als Zwischen-, Stütz- und/oder Meßschichten 37b, 37c, 37d ausgebildet sein können.
Ein in Fig. 6 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 weist wieder sechs Schichten 37 mit einer gestuften Abspritzöffnung 7 sowie dem zusätzlichen Merkmal eines Drallkanals 40 auf. Der Drallkanal 40 steht dabei mit dem Zuleitungskanal 39 in Verbindung, wodurch der Brennstoff in noch effektiverer Weise einem Drall unterworfen werden
kann. Die Auswahl und Anordnung der Schichten 37 ist wiederum von der Außenschicht 37a abgesehen beliebig.
Wie aus den beschriebenen Ausführungsbeispielen ersichtlich, ist jede Kombination zwischen beliebig vielen Schichten, einzelnen und mehreren Abspritzöffnungen 7 sowie gestuften Abspritzöffnungen 7 denkbar. Es ist z. B. auch möglich, mehrere Abspritzöffnungen 7 gestuft herzustellen, um so einerseits mehrere und andererseits aufgeweitete Brennstoffstrahlen in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzen und so ein homogeneres Gemisch zu bilden.
Weiterhin ist es auch möglich, die einzelnen Schichten in beispielsweise konzentrische Kreiszonen aufzuteilen, so daß z. B. in einem inneren Kreis die Abspritzöffnungen 7 angeordnet sind und die Schicht 37 in diesem Bereich aus einem hoch wärmeleitfähigen Material besteht, während ein äußerer, konzentrischer Ring aus einem anderen Material besteht und andere Funktionen wie z. B. eine Stützfunktion erfüllt .
Da die einzelnen Schichten 37 der Spritzlochscheibe 5 Federstahleigenschaften haben, ist es möglich, das Totvolumen zwischen Ventilschließkδrper 4 und der Spritzlochscheibe 5 zu reduzieren. Hierbei ist der Dichtsitz so geformt, daß beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1 der Ventilschließkörper 4 zunächst auf die Spritzlochscheibe 5 trifft und von dieser abprallt. Die Anordnung im Bereich des Dichtsitzes ist dabei so gestaltet, daß bereits vor dem Auftreffen des Ventilschließkörpers 4 auf der Spritzlochscheibe 5 der Brennstofffluß unterbrochen wird. Dadurch wird bei kleinen Hüben im Bereich der gesperrten Brennstoffzufuhr eine Luftbewegung in den Abspritzöffnungen 7 erzeugt, wodurch ebenfalls die Gefahr von Ablagerungen verringert wird.
Die in Fig. 5 und 6 dargestellten Drallkanäle 40 können auch mit einem anderen Kühlmedium als Brennstoff
beaufschlagt werden, welches beispielsweise über die Zuelitungskanäle 39 oder durch separate Kanäle zuleitbar ist.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und für beliebige Bauweisen von nach innen öffnenden Brennstoffeinspritzventilen 1 geeignet. Die Merkmale der Ausführungsbeispiele können beliebig miteinander kombiniert werden.