DE10354467A1

DE10354467A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE10354467A1
Application number: DE2003154467
Authority: DE
Inventors: Gernot Wuerfel; Manfred Stuerz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-09
Also published as: FR2862719A1

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum (38) einer Brennkraftmaschine umfaßt einen erregbaren Aktuator (10) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildeten Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und zumindest zwei Abspritzöffnungen (7), die in dem Ventilsitzkörper (5) ausgebildet sind. Ein Winkel (alpha) zwischen den Achsen (43) der Abspritzöffnungen (7) und einer Tangente an der Oberfläche (44) des Ventilsitzkörpers (5) ist für zumindest zwei Abspritzöffnungen (7) unterschiedlich groß, während ein Winkel (beta) zwischen den Achsen (43) der Abspritzöffnungen (7) und einer Längsachse (40) des Ventilschließkörpers (5) für alle Abspritzöffnungen (7) in etwa gleich groß ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der DE 198 04 463 A1 ist ein Brennstoffeinspritzsystem für eine gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine bekannt, welches ein Brennstoffeinspritzventil umfaßt, das Brennstoff in einen von einer Kolben-/Zylinderkonstruktion gebildeten Brennraum einspritzt, und mit einer in den Brennraum ragenden Zündkerze versehen ist. Das Brennstoffeinspritzventil ist mit mindestens einer Reihe über den Umfang des Brennstoffeinspritzventils verteilt angeordneten Einspritzlöchern versehen. Durch eine gezielte Einspritzung von Brennstoff über die Einspritzlöcher wird ein strahlgeführtes Brennverfahren durch Bildung einer Gemischwolke mit mindestens einem Strahl realisiert.
Nachteilig an dem aus der DE 198 04 463 A1 bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere die Ablagerung von Kraftstoffbestandteilen sowie Abbrandrückständen in den Abspritzöffnungen, welche dadurch verstopfen und den Durchfluß durch das Brennstoffeinspritzventil unzulässig stark vermindern. Dies führt zu Fehlfunktionen der Brennkraftmaschine.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Abspritzöffnungen einen konischen oder zylindrischen Querschnitt mit Kanten aufweisen, welche eine turbulente Strömung mit der Folge des Abtransports von Verbrennungsrückständen aus den Abspritzöffnungen erzeugt. Ein Winkel α zwischen den Achsen der Abspritzöffnungen und einer Tangente an der Oberfläche des Ventilsitzkörpers ist dabei für mindestens zwei Abspritzöffnungen unterschiedlich groß, während ein Winkel β zwischen den Achsen der Abspritzöffnungen und einer Längsachse des Ventilsitzkörpers für alle Abspritzöffnungen in etwa gleich groß ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Vorteilhafterweise ist die Anordnung der Abspritzöffnungen sowie ihre Anzahl beliebig.
Weiterhin ist von Vorteil, daß beliebige Querschnittsformen für die Abspritzöffnungen, insbesondere konische und zylindrische Formen und Kombinationen aus beidem, möglich sind.
Insbesondere ist von Vorteil, daß durch die Kombination von zumindest zwei konischen oder zylindrischen Abschnitten eine Kante in den Abspritzöffnungen gebildet wird, welche eine turbulente Strömung induziert.
Vorteilhafterweise kann auch eine Schneide im Bereich der Ausmündung der Abspritzöffnung in den Brennraum vorgesehen sein.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1A einen schematischen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils in einer Gesamtansicht,
1B einen schematischen Schnitt durch den abspritzseitigen Teil des in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils im Bereich IB in 1;
2 einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils gemäß dem Stand der Technik in gleicher Ansicht wie 1B,
3 einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse des Brennstoffeinspritzventils,
4A–4B schematische Darstellungen möglicher Querschnitte der Abspritzöffnungen und
5A–5C schematische Darstellungen weiterer möglicher Querschnitte der Abspritzöffnungen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1A zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht näher dargestellten Brennraum 39 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, welches über mindestens zwei Abspritzöffnungen 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 einen Spalt 26 voneinander getrennt und stützen sich 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.
Abströmseitig des Ankers 20 ist ein zweiter Flansch 34 angeordnet, der als unterer Ankeranschlag dient. Er ist über eine Schweißnaht 35 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 verbunden. Zwischen dem Anker 20 und dem zweiten Flansch 31 ist ein elastischer Zwischenring 33 zur Dämpfung von Ankerprellern beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1 angeordnet.
In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und in einem Führungsring 36 am Ventilsitzkörper 5 verlaufen Brennstoffkanäle 30, 31 und 32. 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 Verteilerleitung und durch eine weitere Dichtung 37 gegen einen nicht weiter dargestellten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine abgedichtet.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der erste Flansch 21 an der Ventilnadel 3 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, daß der Ventilschließkörper 4 am Ventilsitz 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Der Anker 20 liegt auf dem Zwischenring 33 auf, der sich auf dem zweiten Flansch 34 abstützt. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung bewegt. Dabei nimmt der Anker 20 den ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, und damit die Ventilnadel 3 ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Wirkverbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab, wodurch der zur Abspritzöffnung 7 geführte Brennstoff abgespritzt wird.
Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 auf den ersten Flansch 21 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich die Ventilnadel 3 entgegen der Hubrichtung bewegt. Dadurch setzt der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 auf, und das Brennstoffeinspritzventil 1 wird geschlossen. Der Anker 20 setzt auf dem durch den zweiten Flansch 34 gebildeten Ankeranschlag auf.
Erfindungsgemäß sind die Abspritzöffnungen 7 des Brennstoffeinspritzventils 1 so angeordnet und ausgeformt, daß eine Anlagerung von Verbrennungsrückständen und eine Verkokung der Abspritzöffnungen 7 verhindert sowie Abgasemissionen reduziert werden. Zu diesem Zweck sind die Achsen 43 der Abspritzöffnungen 7 jeweils unterschiedlich in Bezug auf eine Oberfläche 44 des Ventilsitzkörpers 5 orientiert. Der abspritzseitige Teil des Brennstoffeinspritzventils 1 ist in 1B näher dargestellt.
1B zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung den in 1A mit IB bezeichneten Ausschnitt aus dem in 1A dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1.
Wie bereits in 1A erwähnt, sind die Abspritzöffnungen 7 so geformt und angeordnet, daß die Ablagerung von Verkokungsrückständen weitgehend verhindert wird.
Voraussetzung für die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist dabei eine hohe Schließdynamik des Brennstoffeinspritzventils 1. Die Abspritzöffnungen 7 weisen einen geraden, konischen, zylindrischen oder beliebig gestuften Querschnitt ohne Einlaufverrundung 41 auf. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennstoffeinspritzventil 1 ist beispielhaft in 2 dargestellt. Die Abspritzöffnungen 7 sind hierbei trichterförmig ausgebildet und somit kantenfrei gerundet.
In solchermaßen gerundeten Abspritzöffnungen 7 kann sich jedoch keine turbulente Strömung 7 bilden. Ist die Strömung laminar, weist sie keine Querkomponenten auf, welche für den Abtransport von Ablagerungen sorgen können. Daher weisen die Abspritzöffnungen 7 erfindungsgemäß eine zylindrische, konische oder gestufte Form mit zumindest einer scharfen Einlaufkante 42 auf, welche dafür sorgt, daß der sie umfließende Brennstoff in den Abspritzöffnungen 7 eine turbulente Strömung ausbildet. Durch die Verwirbelung der Gemischströmung in den Abspritzöffnungen 7 kann die Verkokung der Abspritzöffnungen 7 reduziert werden. Da der Durchmesser der Abspritzöffnungen 7 typischerweise zwischen 80–300 μm beträgt, ist die Gefahr, daß die Abspritzöffnungen 7 durch Verkokung mit der Zeit verstopfen und somit die Durchflußmenge unzulässig stark eingeschränkt wird, relativ groß.
Die hohe Schließdynamik bewirkt dabei, daß die Endphase des Einspritzvorganges, in der die Innenströmung in den Abspritzöffnungen 7 zum Erliegen kommt, abgekürzt wird. Dies hat zur Folge, daß die Verbrennung nicht durch die Abspritzöffnungen 7 durchschlagen und dort Verbrennungsrückstände aufgrund mangelnder Turbulenz hinterlassen. Ein wie in den Ausführungsbeispielen kegelförmig ausgebildeter Ventilsitzkörper 5 ist dabei von Vorteil.
Die Abspritzöffnungen 7 können stromabwärts der Ventilsitzfläche 6 an beliebigen Punkten angebracht sein. Vorzugsweise sind sie auf einem runden oder elliptischen Lochkreis, der konzentrisch oder exzentrisch zu einer Längsachse 40 des Ventilsitzkörpers 5 sein kann, angeordnet. Die räumliche Orientierung kann dabei für jede Achse 43 unterschiedlich sein, wie beispielhaft in 3 dargestellt.
In 3 ist dabei ein Schnitt durch den Ventilsitzkörper 5 im Bereich der Abspritzöffnungen 7 in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse 40 des Ventilsitzkörpers 5 dargestellt. Es sind dabei z. B. acht Abspritzöffnungen 7 vorgesehen.
In 3 sind die Abspritzöffnungen 7 auf zwei Hälften 45 des Ventilsitzkörpers 5 jeweils tangential in gegenläufiger Richtung angebracht, wobei ein Winkel α der Achsen 43 der tangentialen Abspritzöffnungen 7 zu einer Tangente 50 an der Oberfläche 44 des Ventilschließkörpers 5 für jede der Abspritzöffnungen 7 der jeweiligen Hälften 45 verschieden ist. Die Abweichung von der radialen Richtung bewirkt eine Verschneidung der Abspritzöffnungen 7 und erzeugt damit eine höhere Einlaufturbulenz der Strömung.
Die Abspritzöffnungen 7 sind dabei vorzugsweise alle in einer Ebene zur Längsachse 40 des Ventilsitzkörpers 5 angeordnet, d.h. die Achsen 43 der Abspritzöffnungen 7 schließen mit der Achse 40 des Ventilsitzkörpers 5 in etwa gleiche Winkel β ein.
Die Abspritzöffnungen 7, welche in unmittelbarer Nachbarschaft zu einer im Brennraum 38 der Brennkraftmaschine angeordneten Zündkerze 39 liegen, sind dabei unter dem größten Winkel α in den Ventilsitzkörper 5 eingebracht. Durch sie wird demnach eine die Zündkerze 39 umfassende Gemischwolke in den Brennraum eingespritzt.
Die Einlauf kanten 42 der Abspritzöffnungen 7 sind entsprechend dem Winkel α zum Ventilsitzkörper 5 scharf ausgebildet und fördern die Ausbildung einer turbulenten Strömung in den Abspritzöffnungen 7, wie weiter oben bereits erläutert. Dies hat neben der Verminderung der Ablagerung von Verbrennungsrückständen den Vorteil, daß die Zündkerze 39 nicht direkt angespritzt wird. Dies erhöht die Lebensdauer der Zündkerze 39 und verbessert die Verbrennung.
Die 4A und 4B sowie 5A bis 5C zeigen vorteilhafte Querschnitte der Abspritzöffnungen 7, die für die Anwendung in erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventilen 1 geeignet sind.
Die 4A und 4B zeigen dabei gestufte Querschnitte für Abspritzöffnungen 7, die im Fall von 4A einen konischen Abschnitt 47 mit einem zylindrischen Abschnitt 46 und im Fall von 4B zwei konische Abschnitte 47 kombinieren. Dabei ist jeweils eine Einlauf kante 42 sowie eine weitere, in der Abspritzöffnung 7 ausgebildete Kante 48 vorgesehen, welche dem die Abspritzöffnung 7 durchströmenden Brennstoff weitere turbulente Komponenten mitgibt. Das Totvolumen wird dabei minimal gehalten.
Die 5A bis 5C zeigen weitere vorteilhafte Querschnittsformen für Abspritzöffnungen 7. Die dargestellten Querschnittsformen weisen ebenfalls eine in der Abspritzöffnung 7 ausgebildete Kante 48 auf, welche im Fall von 5A und 5B durch die Kombination von zylindrischen Abschnitten 46 erzeugt wird. Die Position der Kante 48 ist dabei weitgehend frei wählbar. Sie kann, wie in 5A dargestellt, mittig oder auch, wie in 5B gezeigt, kurz vor der Ausmündung der Abspritzöffnung 7 in den Brennraum 38 angeordnet sein.
5C zeigt eine zylindrische Abspritzöffnung 7, welche im Bereich der Ausmündung der Abspritzöffnung 7 in den Brennraum 38 eine Schneide 49 aufweist, welche ebenfalls eine Kante bildet. Die Schneide 49 im Bereich der Ausmündung der Abspritzöffnung 7 bewirkt, daß der Brennstoff auch beim Eintritt in den Brennraum 38 eine Turbulenz erhält, welche dazu führt, daß sich auch an der Oberfläche 44 des Ventilsitzkörpers 5 keine Ablagerungen bilden können.
Durch die Turbulenzerhöhung des eingespritzten Kraftstoffstrahls ergibt sich auch eine Aufweitung der Einzelstrahlen. Die Aufweitung der Einzelstrahlen bewirkt eine geringere Toleranzanforderung an die Position des Zündfunkens.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und z.B. für beliebig angeordnete Abspritzöffnungen 7 sowie für beliebige Bauweisen von nach innen öffnenden Mehrloch-Brennstoffeinspritzventilen 1 anwendbar.

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum (38) einer Brennkraftmaschine mit einem erregbaren Aktuator (10) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildeten Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und zumindest zwei Abspritzöffnungen (7), die in dem Ventilsitzkörper (5) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkel (α) zwischen den Achsen (43) der Abspritzöffnungen (7) und einer Tangente (50) an einer Oberfläche (44) des Ventilsitzkörpers (5) für zumindest zwei Abspritzöffnungen (7) unterschiedlich groß ist, und daß ein Winkel (β) zwischen den Achsen (43) der Abspritzöffnungen (7) und einer Längsachse (40) des Ventilschließkörpers (5) für alle Abspritzöffnungen (7) in etwa gleich groß ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspritzöffnungen (7) auf einem Lochkreis in dem Ventilsitzkörper (5) angeordnet sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anordnung der Abspritzöffnungen (7) eine turbulente Strömung in den Abspritzöffnungen (7) erzeugt wird.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel (α) der Achsen (43) von jeweils zwei einander gegenüberliegenden Abspritzöffnungen (7) zur Tangente an der Oberfläche (44) des Ventilschließkörpers (5) paarweise gleich groß sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel (α) von jeweils vier Abspritzöffnungen (7) zu einer Zündkerze (39) hin zunehmen.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspritzöffnungen (7) einen konischen oder zylindrischen Querschnitt mit Einlauf kanten (42) aufweisen.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspritzöffnungen (7) einen gestuften Querschnitt aufweisen.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspritzöffnungen (7) zumindest zwei zylindrische Abschnitte (46) und/oder konische Abschnitte (47) aufweisen.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Abschnitten (46, 47) eine Kante (48) ausgebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspritzöffnungen (7) eine Schneide (49) im Bereich der Ausmündung der Abspritzöffnungen (7) in den Brennraum (38) aufweisen.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitzkörper (5) kegelförmig ausgebildet ist.