DE69108053T2

DE69108053T2 - Kraftstoffeinspritzventil.

Info

Publication number: DE69108053T2
Application number: DE69108053T
Authority: DE
Inventors: Mark Cerny
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1990-12-12
Filing date: 1991-12-09
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2011-12-10
Also published as: EP0561859B1; EP0561859A1; DE69108053D1; US5114077A; WO1992010665A1; JPH06503393A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft Hochdruckventile im allgemeinen und insbesondere Hochdruck-Kraftstoffeinspritzventile für Brennkraftmaschinen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Beim Arbeiten mit Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, bei denen der Kraftstoffdruck größer als 6,5 bar, typischerweise größer als 65 bar ist, können die beim Herstellen der Hauptteile der Einspritzvorrichtung verwendeten Materialien im Laufe der Zeit Druckrisse entwickeln, die ein Durchsickern des Kraftstoffes nach außen ermöglichen. Es versteht sich, daß die Leckage von Kraftstoff aus einer Einspritzvorrichtung hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches äußerst ungünstig ist.
Bei magnetbetätigten Einspritzvorrichtungen werden die Klemmen der Magnetspule typischerweise durch eine Endkappe hindurch aus der Einspritzvorrichtung herausgeführt. Die Klemmen können zum Anschluß an einen Verbinder oder zur Aufnahme von Drahtklemmen geeignet sein. In jedem Fall müssen die Klemmen gegenüber dem Hauptgehäuse der Einspritzvorrichtung isoliert werden. Dies deshalb, weil die meisten Einspritzvorrichtungen aus einem metallischen Gehäuse hergestellt sind und in dem Motorblock bzw. dem Motoransaugrohr angeordnet sind.
Im Hinblick auf das Erfordernis, die Klemmen gegenüber dem Gehäuse zu isolieren, werden viele Endkappen aus Kunststoff gegossen. Bei Niederdruck-Einspritzvorrichtungen lösen derartige Kunststoffe, entweder wärmehärtende oder thermoplastische Kunststoffe, das Isolierproblem, und sie haben auch eine ausreichende Festigkeit zum Verhindern einer Leckage.
Bei vorbekannten Hochdruck-Einspritzvorrichtungen wurden die Endkappen ebenfalls aus verschiedenen wärmehärtenden und thermoplastischen Kunststoffen hergestellt. Wenn auch diese das Isolierproblem lösen, können sich jedoch im Laufe der Zeit sehr kleine Risse in den Kappen entwickeln, durch die Kraftstoff durchsickert.
Die US 4,116,389 offenbart ein elektromagnetisches Kraftstoff-Einspritzventil mit einem Gehäuse, welches einen Elektromagneten, einen Anker, einen vom Elektromagneten zu einem Ventilsitz verlaufenden Kolben, einen Ventilsitz, eine Dosieröffnung und Mittel zum Verstellen des Ventils für unterschiedliche Betriebszeiten enthält. Eine derartige Einspritzung ist für das Arbeiten mit hohen Drücken ungeeignet, da der Druck in der Einspritzvorrichtung den Kraftstoff aus den unmetallischen Teilen des Gehäuses und anderer einschließender Teile durchsickern läßt. Dieses Durchsickern des Kraftstoffes aufgrund hoher Drücke macht eine andere Lösung wie z.B. eine Stahlkappe und zugehörige Dichtungs- und Isolierteile notwendig.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um sowohl das Problem des Kraftstoff-Durchsickerns wie auch der elektrischen Isolierung zu lösen, wurde eine metallische Endkappe mit Seitenwand-O-Ring-Dichtungen und geeigneten Schultern zum Positionieren und Halten rohrförmiger Isolierstücke um die Magnetklemmen herum entwickelt. Da eine Leckage aufgrund hoher Drücke um 2.000 psi herum verhindert werden muß, wurden sowohl enge Toleranzen wie auch Hochdruck-O-Ringe vorgesehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen ist
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Strahlerzeuger;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 2;
Fig. 5 ein vergrößerter Querschnitt des Strahlerzeugers und des Ventilsitzes der Einspritzvorrichtung der Fig. 1.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Dort ist im Querschnitt eine Hochdruck-Einspritzvorrichtung 10 dargestellt, die so ausgelegt ist, dar sie bei Kraftstoffdrücken über 1.000 psi arbeitet. Die Einspritzvorrichtung besitzt ein rohrförmiges Gehäuseteil 12, das aus unmagnetischem rostfreiem Stahl hergestellt ist. Die Innenseite des rohrförmigen Gehäuseteils 12 hat mehrere unterschiedliche Durchmesser, um verschiedene Schultern zum Ausführen verschiedener Funktionen zu bilden, wie im folgenden noch erläutert wird. Entlang der Außenseite des Gehäuseteils 12 und auf jeder Seite des Einlasses 14 sind Dichtmittel 16, 18 angeordnet, um die Einspritzvorrichtung 10 in der Bohrung der Brennkraftmaschine oder des Saugrohres, wo sie angeordnet ist, abzudichten. Das Gehäuseteil 12 besitzt ein offenes Ende 20 und ein Auslaßende 22, das einen Ventilsitz 24 umgibt, welcher eine Öffnung 27 enthält. Das Auslaßende 22 ist mit einer Gegenbohrung 24 versehen, um eine Schulter 26 zum Positionieren des Ventilsitzes 24 und des Strahlerzeugers 28 zu bilden.
Der Deutlichkeit halber sind die in der Einspritzvorrichtung dargestellten verschiedenen Dichtmittel so gezeigt, daß sie zu den die Dichtungen umgebenden Wänden beabstandet sind. Dies kann in der Praxis, um die Dichtungen funktionsfähig zu machen, nicht so sein, da die Dichtungen eingeschlossen sein müssen, damit sie unter Druck nicht "extrudiert" werden.
Der Ventilsitz 24 wird durch einen Stauchvorgang in dem Gehäuseteil 12 angeordnet, um den Ventilsitz 24 und den Strahlerzeuger 28 an der Schulter 26 am Ende der Gegenbohrung zu positionieren. Der Ventilsitz 24 besitzt Dichtmittel 30 wie z.B. eine C-förmige metallische Dichtung, um eine Leckage des Kraftstoffes aus dem Bereich um den Ventilsitz 24 herum zu verhindern. Die C-förmige metallische Dichtung 30 ist eine Höchsttemperaturdichtung, die nicht aufgrund der hohen Temperaturen am Auslaßende 22 der Einspritzvorrichtung 10 zusainmenbricht. Neben dem Ventilsitz 24 befindet sich der Strahlgenerator 28 mit einer axial ausgerichteten Bohrung 32, durch die eine Ventilnadel 34 hin und her bewegbar ist. Der Strahlerzeuger 28 besitzt eine radial verlaufende Dichtung 36 zwischen sich und der Innenfläche des Gehäuseteils 12.
Die Ventilnadel 34 hat einen sphärischen Radius, angepaßt an den Ventilsitz 24, um die Einspritzvorrichtung 10 zu verschließen. Am Ende der Ventilnadel 34 gegenüber dem sphärischen Radius befindet sich ein Ring 38, der ein Ankermittel 40 in Form eines Dämpfungsgliedes 42 und eines Ankergliedes 44 abstützt. Das Ankerglied 44 ist auf der Ventilnadel 34 so angeordnet, dar es an dem Dämpfungsglied 42, anschlägt, und es ist, wenn auch nur geringfügig, axial entlang der Ventilnadel 34 gegen das Dämpfungsglied 42 frei bewegbar, welches eine Tellerfeder sein kann. Das Ende der Ventilnadel 34 wird von einem Federfänger 46 aufgenommen, der in einer Bohrung 48 in dem inneren Schaft 50 des Magnetkerns gleitend gelagert ist.
Der Magnetkern ist von kreisförmiger Kernfiguration, bei der das innere Polstück 50 konzentrisch zu dem äußeren Polstück 52 ist und die Polstücke an dem Ende verbunden sind, das dem Ende gegenüberliegt, welches dem Ankerglied 44 zugewandt ist. Die Querschnittsflächen des inneren Polstückes 50 und des äußeren Polstückes 52 des Kerns sind im wesentlichen gleich ausgebildet. Das innere Polstück 50 besitzt eine durchgehende Bohrung 48 zur Aufnahme einer Vorspannfeder 54. Außerdem ist das innere Polstück 50 von der Ebene aus, die durch die Enden des äußeren Polstücks 52 verlaufen, mit einer Ausnehmung versehen.
In dem Raum zwischen dem inneren Polstück 50 und dem äußeren Polstück 52 ist eine um einen Spulenträger 58 gewickelte Spule 56 angeordnet, die, wie gezeigt, eine Naßspulenkonstruktion ist oder die eine vollständig gekapselte Wicklung oder eine umgossene Wicklung sein kann, was eine Trokkenspulenkonstruktion zur Folge hat. Naß- und Trockenspulenkonstruktion bezieht sich darauf, ob Kraftstoff mit der Wicklung in Berührung kommt oder nicht.
Der Elektromagnet ist in Anlage an der Innenfläche 60 des rohrförmigen Gehäuseteils 12 zwischen dem offenen Ende 20 und einer Schulter 62 angeordnet, die entlang der Innenfläche 60 des Gehäuseteils radial verläuft. In Anlage mit dem Ankerende des Elektromagneten und der Schulter 62 ist ein Abstandsring 64 angeordnet. Wie ersichtlich, sorgt der Abstandsring 64 für den korrekten Betrag des statischen Kraftstoffstroms aus der Einspritzvorrichtung 10 dadurch, daß er den Hub der Kraftstoffnadel 34 auf einen maximalen Betrag begrenzt.
Das Ankerglied 44 ist ein kreisförmiges Teil mit einer zentralen Nabe 66. Das Ankerglied 44 erstreckt sich über die Enden des Magnetkerns und hat eine geringe Masse. Um die Masse des Ankergliedes zu verringern, ohne dessen magnetische Funktion zu beeinträchtigen, sind verschiedene Öffnungen zwischen der äußeren Umfangsfläche des Ankergliedes 44 und seiner zentralen Nabe 66 vorgesehen. Diese öffnungen sind typischerweise mit gleichem Abstand entlang eines Radius des Ankergliedes 44 angeordnet.
Da das Gehäuseteil 12 unmagnetisch ist, verlaufen die magnetischen Linien des Magnetflusses von der Spule 56 durch das innere Polstück 50 des Elektromagneten über den Luftspalt angrenzend an dem Ankerglied 44, durch das Ankerglied zu dem Luftspalt angrenzend an dem äußeren Polstück 52 des Elektromagneten und zurück zu der Spule 56. Dadurch, daß das innere Polstück 50 mit einer Ausnehmung versehen ist, wird die Schließzeit der Einspritzvorrichtung 10 geändert, ohne die Öffnungszeit der Einspritzvorrichtung nennenswert zu beeinflussen.
Die Endkappe 68 ist an der Innenfläche 60 des Gehäuseteils 12 angeordnet und liegt an dem einen Ende des Magnetkerns an. Ein 0-Ring 70 ist entlang der äußeren axialen Fläche der Endkappe 68 und zwischen der Endkappe 68 und der Innenfläche 60 des Gehäuseteils 12 angeordnet, um das Durchströmen von Strömungsmittel zu verhindern. Die Endkappe 68 wird an dem Magnetkern mittels eines Ringes 72 gehalten, das an seinem Außenumfang mit Gewinde 74 versehen ist, welches mit einem entsprechenden Gewinde 76 an der Innenfläche 60 des Gehäuseteils 12 an dem offenen Ende 20 in Eingriff steht. Wenn der mit Gewinde versehene Ring 72 angezogen wird, legt sich die Endkappe 68 an den Magnetkern 50, 52 an, der an dem Abstandsring 64 anliegt, welcher an der Schulter 62 des Gehäuseteils 12 anliegt.
Die Endkappe 68 hat ferner die Funktion, die axiale Bohrung 48 des inneren Polstückes 50 zu umschließen, welcher die Vorspannfeder 54 enthält. Die Funktion der Vorspannfeder 54 besteht darin, die Ventilnadel 34 gegen den Ventilsitz 24 vorzuspannen, wodurch die Einspritzvorrichtung 10 verschlossen wird. Der Betrag der Vorspannung bzw. Federkraft bestimmt die Schließzeit der Einspritzvorrichtung und die Schließkraft der Ventilnadel an dem Ventilsitz.
Um die Einspritzvorrichtung 10 zu vervollständigen, sind zwei Klemmen 78, 80 an den Enden der Spule 56 befestigt und verlaufen durch zwei Öffnungen in der Endkappe 68. Da die Klemmen 78, 80 ebenfalls aus elektrisch leitendem Material bestehen, müssen sie gegenüber der Endkappe 68 isoliert werden. Die Öffnungen sind jeweils eine Reihe von Bohrungen und Gegenbohrungen, und in Fig. 1 sind eine Durchgangsbohrung 82, eine Gegenbohrung 84, die von der Innenfläche der Endkappe 68 zwischen den Enden der Durchgangsbohrung 82 verläuft, und eine dritte größere Bohrung 86 vorgesehen, die von der Innenfläche der Endkappe 68 teilweise axial entlang der Gegenbohrung 84 verläuft. Die Funktion der Gegenbohrung 84 ist es, eine Schulter 88 zu bilden, um die Isoliermittel zu halten.
Die Isoliermittel haben die Funktion, die Klemmen 78, 80 gegenüber der Endkappe 68 zu isolieren und ferner einen O- Ring 90 zu befestigen, um ein Ausströmen von Kraftstoff aus dem Klemmenende zu verhindern. Wie dargestellt, sind die Isoliermittel zweistückige rohrförmige Teile 92, 94 aus 30% glasgefülltem Nylon, von denen jedes eine zentrale Bohrung und eine zwischen seinen Enden verlaufende Gegenbohrung aufweist. Das erste rohrförmige Teil 92 besitzt eine radial verlaufende Fläche, die eine Fläche zur Anlage an der Schulter 88 bildet, welche von der Gegenbohrung 84 in der Endkappe 68 gebildet wird. Das zweite rohrförmige Teil 94 besitzt eine glatte Außenfläche, die die Funktion hat, das zweite rohrförmige Teil 94 in der Gegenbohrung 84 der Endkappe 68 zu positionieren.
Jede der Klemmen 78, 80 besitzt zwei beabstandete Ringe 96, die entlang der Klemme axial positioniert sind. Zwischen den Ringen an der Klemme ist ein Dichtmittel bzw. O-Ring 90 angeordnet, um ein Ausströmen von Kraftstoff entlang der Klemme zu verhindern. Das erste rohrförmige Teil 92 des Dichtmittels umschließt den Ring 96, der dem Klemmenende am nächsten ist, und verläuft entlang der Klemme, um die Klemme gegenüber der Endkappe 68 zu isolieren. Das zweite rohrförmige Teil 94 des Dichtmittels umschließt den zweiten Ring 96 und isoliert den zweiten Ring gegenüber der Endkappe 68. Wie dargestellt, greift der Druck innerhalb der Einspritzvorrichtung 10 an dem zweiten rohrförmigen Teil 94 des Isoliermittels an und drückt das zweite rohrförmige Teil 94 gegen den Ring 96 an der Klemme, wodurch die Klemme und das erste rohrförmige Teil 92 gegen die von der Gegenbohrung 94 in der Endkappe 68 gebildete Schulter 88 gedrückt wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine umschlossene Gewindebohrung 98 entlang der Achse der Endkappe 68 angeordnet. Diese Bohrung 98 ist in der Lage, ein Gewindeteil eines Verbinders aufzunehmen, der dazu benutzt werden kann, die Klemmen 78, 80 der Spule mit einem externen Kreis zu verbinden. Außerdem kann die Gewindebohrung 98 ein Endkappen-Abziehteil (nicht gezeigt) aufnehmen, das mithilft, die Endkappe 68 zu entfernen, nachdem der mit Gewinde versehene Ring 72 entfernt wurde. Dies kann zum Auswechseln der Vorspannfeder 54, des Abstandsteils 64 oder für eine gegebenenfalls erforderliche Wartung der Einspritzvorrichtung 10 erforderlich sein.
Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Dort ist das Ende des Strahlerzeugers 28 dargestellt, was die Anordnung der Drallmittel zeigt. Die Drallmittel in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere Paare von Kanälen 100, 102, die sich einander schneiden, wie in Fig. 3 zu sehen ist. Wenn der Kraftstoff bei geöffnetem Ventil von dem Einlaß 14 des Gehäuseteils 12 in Richtung auf das Auslaßende 22 strömt, strömt der Kraftstoff entlang des ersten axial ausgerichteten Kanals 100 (s. Fig. 4) und dann durch den zweiten geneigten Kanal 102 (Fig. 3), der zu der zentralen Bohrung 32 des Strahlerzeugers 28 der Einspritzvorrichtung 10 tangential geneigt ist, um ein Drallmuster zu bilden. Der Kraftstoff strömt dann entlang der Innenfläche des Ventilsitzes 24 und aus der Öffnung 27 des Ventilsitzes 24 heraus, wie in Fig. 5 zu sehen ist. Während der Kraftstoff die Öffnung 27 verläßt, bildet er ein konisches Strahlmuster.

Claims

1. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit einem unmagnetischen, rohrförmigen Gehäuseteil (12) mit einem offenen Ende (20), einem Auslaßende (22), einem Kraftstoffeinlaß (14) und einer Schulter (62) zwischen seinen Enden; einem Ventilsitzteil (24) mit einer axial ausgerichteten Öffnung (27), wobei das Ventilsitzteil an dem Auslaßende angeordnet ist, einer Ventilnadel (34) mit Mitteln zum Anordnen derselben in dem Ventilsitzteil; einem Ankermittel (40) angrenzend an dem Ende der Ventilnadel gegenüber dem Ventilsitzteil, wobei das Ankermittel ein Ankerglied (44) umfaßt; elektromagnetischen Mitteln, die innerhalb des rohrförmigen Gehäuseteils angeordnet ist; Klemmen (78,80), die sich von der Wicklung aus dem offenen Ende des rohrförmigen Gehäuseteils herauserstrecken; Isoliermittel (92,94), die um die Klemmen herum angeordnet sind, wobei die Isoliermittel Dichtmittel (90) umfassen; einer metallischen Endkappe (68) zur Aufnahme der Klemmen und zur Anlage an den elektromagnetischen Mitteln; gekennzeichnet durch:

einen Abstandsring (64), der an der Schulter (62) des rohrförmigen Gehäuseteils angeordnet ist, um das Ankerende der elektromagnetischen Mittel in dem Gehäuseteil zu positionieren; und

einen Gewindering (72), der mit Gewinde (76) entlang der Innenseite des rohrförmigen Gehäuseteils angrenzend an dem offenen Ende in Eingriff bringbar ist, wobei der Gewindering die Endkappe an den elektromagnetischen Mitteln in Anlage an dem Abstandsring positioniert, um eine Einspritzvorrichtungseinheit zu bilden.

2. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Ringteil (38), das auf der Ventilnadel angrenzend an dem Ankermittel angeordnet ist, und einem Dämpfungsglied (42), das zwischen dem Ringteil und dem Anker angeordnet ist, um die Bewegung des Ankerteils zu absorbieren, wenn die Ventilnadel an dem Ventilsitz anliegt, wobei das Dämpfungsglied auf der Ventilnadel frei axial bewegbar ist.

3. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Dämpfungsglied (42) eine Tellerfeder ist, die auf der Ventilnadel zwischen dem Ringteil und dem Anker frei bewegbar angeordnet ist.

4. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Strahlerzeuger, der eine axial ausgerichtete Bohrung zum Führen der Ventilnadel aufweist, wobei der Strahlerzeuger Strömungskanäle besitzt, die bezüglich der axial ausgerichteten Bohrung tangential ausgerichtet sind, um dem Strömungsmittel eine Drallbewegung auf zuprägen, das dort hindurch und aus der Öffnung herausströmt, wenn die Ventilnadel von dem Ventilsitz abgehoben ist.

5. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Strahlerzeuger mehrere Paare von Kraftstoffkanälen aufweist, wobei ein Kanal jedes Paares parallel zur Achse des Strahlerzeugers verläuft und der zweite Kanal jedes Paares tangential zu der axial ausgerichteten Bohrung geneigt ist, die von dem ersten Kanal zu dem stromabwärtigen Ende der axial ausgerichteten Bohrung verläuft.

6. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die elektromagnetischen Mittel eine axial ausgerichtete Bohrung aufweisen und Vorspannmittel umfassen, die in der Bohrung angeordnet sind, um die Ventilnadel gegen das Ventilsitzteil vorzuspannen.

7. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Klemmen (2) beabstandete Ringe zwischen den Enden aufweisen und zusätzlich Isoliermittel in der Endkappe vorgesehen sind, die die Klemmen umgeben, wobei die Isoliermittel aufweisen: ein erstes rohrförmiges Teil mit einer radial verlaufenden Schulter angrenzend an einem Ende und einer axial ausgerichteten Gegenbohrung, die von dem besagten einen Ende zu einer Stelle zwischen dessen Enden verläuft, und ein zweites rohrförmiges Teil mit einer axial ausgerichteten Gegenbohrung, die von einem Ende zu einer Stelle zwischen dessen Enden verläuft, wobei die Gegenbohrungen entgegengesetzt gerichtet sind und jede einen der Ringe auf den Klemmen enthält, um eine axiale Bewegung der Klemmen zu verhindern.

8. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Endkappen mindestens zwei durchgehende Öffnungen zur Aufnahme der Isoliermittel aufweisen.