DE10039080A1 - Brennstoffeinspritzventil und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffeinspritzventils - Google Patents

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, weist eine Magnetspule (10), einen in einer Schließrichtung durch eine Rückstellfeder (23) beaufschlagten Anker (20) und eine mit dem Anker (20) kraftschlüssig in Verbindung stehende Ventilnadel (3) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, auf. Der Anker (20) umfaßt ein erstes Ankerteil (20a) und ein zweites Ankerteil (20b), wobei sich auf dem ersten Ankerteil (20a) die Rückstellfeder (23) abstützt und das zweite Ankerteil (20b) kraftschlüssig mit der Ventilnadel (3) verbunden ist. Die Ventilnadel (3) ist durch die Rückstellfeder (23) über das erste Ankerteil (20a) und das zweite Ankerteil (20b) so in der Schließrichtung beaufschlagt, daß der Ventilschließkörper (4) auf der Ventilsitzfläche (6) in dichtender Anlage gehalten wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 und einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffeinspritzventils nach der Gattung des Anspruchs 7.

Aus der DE 33 14 899 A1 ist bereits ein elektromagnetisch betätigbares Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei welchem zur elektromagnetischen Betätigung ein Anker mit einer elektrisch erregbaren Magnetspule zusammenwirkt und der Hub des Ankers über eine Ventilnadel auf einen Ventilschließkörper übertragen wird. Der Ventilschließkörper wirkt mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammen. Der Anker ist nicht starr an der Ventilnadel befestigt, sondern an dieser axial beweglich angeordnet. Eine erste Rückstellfeder beaufschlagt die Ventilnadel in Schließrichtung und hält somit das Brennstoffeinspritzventil im stromlosen, nicht erregten Zustand der Magnetspule geschlossen. Der Anker wird mittels einer zweiten Rückstellfeder in Hubrichtung so beaufschlagt, daß der Anker in der Ruhestellung an einem an der Ventilnadel vorgesehenen ersten Anschlag anliegt. Bei Erregen der Magnetspule wird der Anker in Hubrichtung angezogen und nimmt über den ersten Anschlag die Ventilnadel mit. Beim Abschalten des die Magnetspule erregenden Stromes wird die Ventilnadel mittels der ersten Rückstellfeder in ihre Schließstellung beschleunigt und führt über den beschriebenen Anschlag den Anker mit. Sobald der Ventilschließkörper auf den Ventilsitz auftrifft, wird die Schließbewegung der Ventilnadel abrupt beendet. Die Bewegung des mit der Ventilnadel nicht starr verbundenen Ankers setzt sich entgegen der Hubrichtung fort und wird von der zweiten Rückstellfeder aufgefangen, d. h. der Anker schwingt gegen die gegenüber der ersten Rückstellfeder eine wesentlich geringere Federkonstante aufweisende zweite Rückstellfeder durch. Die zweite Rückstellfeder beschleunigt den Anker schließlich erneut in Hubrichtung.

Wenn der Anker am Anschlag der Ventilnadel auftrifft, kann dies zu einem erneuten kurzzeitigen Abheben des mit der Ventilnadel verbundenen Ventilschließkörpers vom Ventilsitz und somit zum kurzzeitigen Öffnen des Brennstoffeinspritzventils führen. Die Entprellung ist bei dem aus der DE 33 14 899 A1 bekannten Brennstoffeinspritzventil daher unvollständig. Ferner ist sowohl bei einem konventionellen Brennstoffeinspritzventil, bei welchem der Anker starr mit der Ventilnadel verbunden ist, als auch bei dem aus der DE 33 14 899 A1 bekannten Brennstoffeinspritzventil nachteilig, daß der Öffnungshub der Ventilnadel sofort einsetzt, sobald die von der Magnetspule auf den Anker ausgeübte Magnetkraft die Summe der in Schließrichtung wirkenden Kräfte, d. h. der von der ersten Rückstellfeder ausgeübten Federschließkraft und der hydraulischen Kräfte des unter Druck stehenden Brennstoffs, übersteigt. Dies ist insofern nachteilig, als beim Einschalten des die Magnetspule erregenden Stromes die Magnetkraft aufgrund der Selbstinduktion der Magnetspule und auftretender Wirbelströme noch nicht ihren endgültigen Wert erreicht. Die Ventilnadel und der Ventilschließkörper werden daher zu Beginn des Öffnungshubs von einer verminderten Kraft beschleunigt. Dies führt zu einer nicht für alle Anwendungsfälle befriedigenden Öffnungszeit.

Bei der Schließbewegung haftet der bekannte einteilige Anker relativ lange an dem magnetisierten Innenpol und löst sich aufgrund der Restmagnetisierung erst nach verhältnismäßig langer Zeit. Dies führt zu relativ langen Schließzeiten.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffeinspritzventils mit den Merkmalen des Anspruchs 7 haben demgegenüber den Vorteil, daß die durch den zweigeteilten Anker erreichten Öffnungs- bzw. Schließzeiten des Brennstoffeinspritzventils reduziert werden, was zu einer größeren Zumeßgenauigkeit für den Brennstoff führt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils und des im Anspruch 7 angegebenen Verfahrens möglich.

Von Vorteil ist insbesondere, daß sich die Rückstellfeder direkt an dem ersten Ankerteil abstützt und die Ventilnadel mit dem zweiten Ankerteil verschweißt ist, da die Konstruktion einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Von Vorteil ist außerdem, daß die beiden aneinanderliegenden Seiten des ersten und des zweiten Ankerteils eine leicht keilige Form aufweisen, wodurch hydraulisches Kleben verhindert und der Öffnungsvorgang weiter beschleunigt werden kann.

Durch geeignet dimensionierte Brennstoffkanäle in den beiden Ankerteilen ist einerseits ein ungehinderter Brennstoffdurchfluß zum Dichtsitz gewährleistet; andererseits kann sich über den Ankerteilen ein leichter hydraulischer Staudruck ausbilden, welcher die Öffnungsbewegung nicht wesentlich beeinflußt, aber die Schließbewegung unterstützt.

Vorteilhafterweise wird die Vormagnetisierung der Magnetspule bzw. des ersten Ankerteils während des Ausstoßtaktes der Brennkraftmaschine eingeleitet, in welcher einerseits der Brennraumdruck sinkt und andererseits genug Zeit zur Vorbereitung des nächsten Einspritzvorgangs zur Verfügung steht.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum direkten Einspritzen von Brennstoff.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 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, welches über eine Abspritzöffnung 7 verfügt. 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 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 ist ein zweiteiliger Anker 20 angeordnet. Er gliedert sich in ein erstes Ankerteil 20a und ein zweites Ankerteil 20b. Das zweite Ankerteil 20b steht über eine Schweißnaht 22 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 in Verbindung. Auf dem ersten Ankerteil 20a 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, in den Ankerteilen 20a und 20b und am Ventilsitzkörper 5 verlaufen Brennstoffkanäle 30a bis 30c, die den Brennstoff, welcher über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert wird, zur Abspritzöffnung 7 leiten. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht dargestellte Brennstoffverteilerleitung abgedichtet.

Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird das erste Ankerteil 20a von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, daß es auf dem zweiten Ankerteil 20b aufliegt und dadurch die Ventilnadel 3 so beaufschlagt wird, daß der Ventilschließkörper 4 am Ventilsitz 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese von innen nach außen ein Magnetfeld auf, welches das erste Ankerteil 20a entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem Innenpol 13 und dem ersten Ankerteil 20a befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgegeben ist.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 bleibt in dieser Fhase der Vormagnetisierung immer noch geschlossen, da der Druck des Brennstoffs, welcher das Brennstoffeinspritzventil 1 durchströmt, auf eine zulaufseitige Seite 32 des zweiten Ankerteils 20b immer noch ausreichend hoch ist, um die Ventilnadel 3 in den Dichtsitz zu drücken und damit das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen zu halten. Die Phase der Vormagnetisierung wird vorteilhafterweise bereits während eines Ausstoßtaktes der Brennkraftmaschine eingeleitet, da in dieser Phase im Brennraum kein Hochdruck herrscht und das Brennstoffeinspritzventil 1 deshalb auch bei bereits angezogenem ersten Ankerteil 20a durch den Staudruck des Brennstoffs geschlossen bleibt.

Durch eine radialsymmetrische keilige Gestaltung der zulaufseitigen Seite 32 des zweiten Ankerteils 20b sowie einer abspritzseitigen Seite 31 des ersten Ankerteils 20a ist dabei gewährleistet, daß das zweite Ankerteil 20b nicht hydraulisch an dem ersten Ankerteil 20a klebt und dadurch vorzeitig in Hubrichtung angezogen wird.

In der zweiten Stufe der Öffnungsphase, in welcher bereits wieder Druck im Brennraum aufgebaut wird, wird die Magnetspule 10 mit einem höheren Strom bestromt, wodurch sich das Magnetfeld auch in den zweiten Ankerteil 20b ausbreitet und dieses in Hubrichtung gegen die hydraulische Schließkraft, welche auf die zulaufseitige Seite 32 des zweiten Ankerteils 20b wirkt, an das erste Ankerteil 20a zieht. Dadurch wird auch die mit dem zweiten Ankerteil 20b verschweißte Ventilnadel 3 in Hubrichtung mitgenommen, wodurch der Ventilschließkörper 4 von der Ventilsitzfläche 6 abhebt und der über die Brennstoffkanäle 30a bis 30c zur Abspritzöffnung 7 geführte Brennstoff durch die Abspritzöffnung 7 abgespritzt wird.

Die Bewegung der Ventilnadel 3 kann in dieser Phase der Öffnung sehr schnell erfolgen, da nur das zweite Ankerteil 20b beschleunigt und zusätzlich nur die hydraulische Schließkraft überwunden werden muß.

Wird der die Magnetspule 10 erregende Strom abgeschaltet, fällt das erste Ankerteil 20a nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch die Kraft der Rückstellfeder 23 und die hydraulische Schließkraft, die in die gleiche Richtung wirkt, vom Innenpol 13 ab, wodurch auch das zweite Ankerteil 20b und die Ventilnadel 3 entgegen der Hubrichtung bewegt werden. Dadurch setzt der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 auf und das Brennstoffeinspritzventil 1 wird geschlossen.

Ist das Brennstoffeinspritzventil 1 nach dem Einspritzvorgang wieder geschlossen, ist die Summe aus der Federkraft der Rückstellfeder 23 und des hydraulischen Staudrucks des Brennstoffs während des Verdichtungs- und Verbrennungstaktes der Brennkraftmaschine 1 wieder hoch genug, um das Brennstoffeinspritzventil 1 gegen den Brennraumdruck abzudichten. Während des Ausstoßtaktes, in welchem der Brennraumdruck sinkt, kann wieder mit der Vormagnetisierung zur Vorbereitung auf den nächsten Einspritzvorgang begonnen werden, ohne daß sich die zeitlich längere Vormagnetisierung negativ auf die Öffnungszeit des Brennstoffeinspritzventils 1 auswirkt.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und z. B. auch für nach außen öffnende Brennstoffeinspritzventile geeignet.

Claims (8)

1. Brennstoffeinspritzventil (1) für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Magnetspule (10), einem in einer Schließrichtung durch eine Rückstellfeder (23) beaufschlagten Anker (20) und einer mit dem Anker (20) kraftschlüssig in Verbindung stehenden Ventilnadel (3) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, dadurch gekennzeichnet,
daß der Anker (20) ein erstes Ankerteil (20a) und ein gegenüber dem ersten Ankerteil (20a) axial bewegliches zweites Ankerteil (20b) aufweist, wobei sich auf dem ersten Ankerteil (20a) die Rückstellfeder (23) abstützt und das zweite Ankerteil (20b) kraftschlüssig mit der Ventilnadel (3) verbunden ist, und
daß die Ventilnadel (3) durch die Rückstellfeder (23) über das erste Ankerteil (20a) und das zweite Ankerteil (20b) so in der Schließrichtung beaufschlagt ist, daß bei nicht erregter Magnetspule (10) der Ventilschließkörper (4) auf der Ventilsitzfläche (6) in dichtender Anlage gehalten wird.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rückstellfeder (23) an einer zulaufseitigen Seite (33) des ersten Ankerteils (20a) abstützt.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (3) mit dem zweiten Ankerteil (20b) fest verbunden ist.

4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine abspritzseitige Seite (31) des ersten Ankerteils (20a) an einer zulaufseitigen Seite (32) des zweiten Ankerteils (20b) anliegt.

5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die abspritzseitige Seite (31) des ersten Ankerteils (20a) und die zulaufseitige Seite (32) des zweiten Ankerteils (20b) jeweils eine radialsymmetrische, keilige Oberfläche aufweisen.

6. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ankerteil (20a) und das zweite Ankerteil (20b) jeweils mindestens einen Brennstoffkanal (30, 30a) aufweisen.

7. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffeinspritzventils (1) für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Magnetspule (10), einem in einer Schließrichtung beaufschlagten Anker (20) und einer mit dem Anker (20) kraftschlüssig in Verbindung stehenden Ventilnadel (3) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, wobei der Anker (20) ein erstes Ankerteil (20a) und ein zweites Ankerteil (20b) aufweist, wobei sich auf dem ersten Ankerteil (20a) eine Rückstellfeder (23) abstützt und das zweite Ankerteil (20b) kraftschlüssig mit der Ventilnadel (3) verbunden ist und wobei die Ventilnadel (3) durch die Rückstellfeder (23) über das erste Ankerteil (20a) und das zweite Ankerteil (20b) so in der Schließrichtung beaufschlagt ist, daß der Ventilschließkörper (4) auf der Ventilsitzfläche (6) in dichtender Anlage gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

• - Bestromen der Magnetspule (10) mit einem elektrischen Strom mit einer ersten Stromstärke, so daß nur das erste Ankerteil (20a) angezogen wird und nachfolgend
• - Bestromen der Magnetspule (10) mit einer gegenüber der ersten Stromstärke größeren zweiten Stromstärke, so daß auch das zweite Ankerteil (20b) angezogen wird, und darauffolgend
• - Abschalten des die Magnetspule (10) erregenden Stromes.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestromen mit der ersten Stromstärke bereits während eines Ausstoßtaktes der Brennkraftmaschine erfolgt.