EP1312796B1

EP1312796B1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: EP1312796B1
Application number: EP20020024775
Authority: EP
Inventors: Gerhard Suchomel; Josef Pickel; Fridolin Zeck; Juergen Schubert; Friedrich Weis; Mattias Klinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: JP2003184706A; EP1312796A2; EP1312796A3; DE50211662D1; DE10156020A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1.
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 obengenannten Druckschrift bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere die Verkokung der Abspritzöffnungen, welche dadurch verstopfen und den Durchfluß durch das Brennstoffeinspritzventil unzulässig stark vermindern. Dies führt zu Fehlfunktionen der Brennkraftmaschine sowie zu erhöhten Emissionswerten durch unzureichende Gemischbildung.
Aus der US 5,992,766 A ist ein Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Verlauf de Querschnittskonturlinie der Wandung der Abspritzöffnung zwischen dem Einlaufbereich und dem Asuslaufbereich parabelförmig ist, wodurch ein strömungsgünstiger kontinuierlicher Verlauf zwischen dem Einlaufbereich und der Abspritzöffnung erzielt wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen, aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 2 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Die Verkokungsneigung und das Strömungsverhalten werden auch durch einen erweiterten Einzugsradius, der im Einlaufbereich der Abspritzöffnungen vorgesehen ist, vorteilhaft beeinflußt.
Die Abspritzöffnungen sind vorteilhafterweise mittels Erodierens oder eines anderen geeigneten Herstellungsverfahrens wie Laserbohren herstellbar und nachfolgend mittels Hydroerosion oder eines anderen strömungsgeführten Bearbeitungsprozesses nachbearbeitbar, wodurch die Wandung der Abspritzöffnungen geglättet und die Kavitationsneigung herabgesetzt wird.

Zeichnung

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

Fig. 1: einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils in einer Gesamtansicht,
Fig. 2: einen schematischen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventil im Bereich II in Fig. 1 entsprechend einer anderen Ausführungsvariante, und
Fig. 3A-B: eine vergrößerte Ansicht einer beispielhaften Abspritzöffnung des in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils in zwei aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 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 dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine und für nicht fremdgezündete, strahlgeführte Brennverfahren (z. B. einen Dieselmotor).
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 wenigstens eine Abspritzöffnung 7 verfügt.
Der Ventilschließkörper 4 des erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 weist eine nahezu kugelförmige Form auf. Dadurch wird eine versatzfreie, kardanische Ventilnadelführung erzielt, die für eine exakte Funktionsweise des Brennstoffeinspritzventils 1 sorgt.
Der Ventilsitzkörper 5 des Brennstoffeinspritzventils 1 ist nahezu topfförmig ausgebildet und trägt durch seine Form zur Ventilnadelführung bei. Der Ventilsitzkörper 5 ist dabei in eine abspritzseitige Ausnehmung 34 des Düsenkörpers 2 eingesetzt und mittels einer Schweißnaht 35 mit dem Düsenkörper 2 verbunden. Der Ventilschließkörper 4 und der Ventilsitzkörper 5 haben eine Dichtfunktion für den nachströmenden Brennstoff bezüglich der stromabwärts angeordneten Abspritzöffnung 7.
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 31 angeordnet, der als unterer Ankeranschlag dient. Er ist über eine Schweißnaht 33 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 verbunden. Zwischen dem Anker 20 und dem zweiten Flansch 31 ist ein elastischer Zwischenring 32 zur Dämpfung von Ankerprellern beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1 angeordnet.
In der Ventilnadelführung 14 und im Anker 20 verlaufen Brennstoffkanäle 30a und 30b. Am Ventilschließkörper 4 sind Anschliffe 36 ausgebildet, über die der Brennstoff zum Dichtsitz geleitet wird. 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 abgedichtet.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist an dem Ventilsitzkörper 5, der in einer Ausnehmung 34 des Düsenkörpers 2 angeordnet und beispielsweise mittels einer Schweißnaht 35 mit diesem verbunden ist, in Strömungsrichtung verjüngte Abspritzöffnungen 7 auf, welche in einem Einlaufbereich 39 abgerundet sind. Die spezielle Form der Abspritzöffnungen 7 vermindert die Verkokungsneigung und beugt so Fehlfunktionen des Brennstoffeinspritzventils 1 durch Verstopfen der Abspritzöffnungen 7 und einer unzulässigen Verringerung des Brennstoffdurchflusses vor. Zudem werden durch die positive Beeinflussung des Strömungsverhaltens eine effektivere Gemischbildung und nachfolgend geringere Emissionswerte gefördert. Eine beispielhafte Abspritzöffnung 7 des Brennstoffeinspritzventils 1 mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen ist in den Fig. 2, 3A und 3B näher dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
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 32 auf, der sich auf dem zweiten Flansch 31 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 Brennstoff an den Abspritzöffnungen 7 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 31 gebildeten Ankeranschlag auf.
Fig. 2 zeigt in einer auszugsweisen Schnittdarstellung den abströmseitigen Teil des in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 im Bereich II in Fig. 1. Zur übersichtlicheren Darstellbarkeit der erfindungsgemäßen Maßnahmen wurde eine andere Bauart des Brennstoffeinspritzventils 1 gewählt. Übereinstimmende Bauteile sind in allen Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Wie bereits in Bezug auf Fig. 1 angesprochen, sind die in dem Ventilsitzkörper 5 ausgebildeten Abspritzöffnungen 7 in Strömungsrichtung des Brennstoffs verjüngt und in einem Einlaufbereich 39 abgerundet. Der Einlaufbereich 39 weist daher einen größeren Durchmesser auf als ein abströmseitig des Einlaufbereichs 39 ausgebildeter Auslaufbereich 42. Die Querschnittskonturlinie 43 der Wandung zwischen dem Einlaufbereich 39 und dem Auslaufbereich 42 verläuft, dabei erfindungsgemäß parabelförmig, so daß sich in einer Wandung 41 der Abspritzöffnung 7 keine Kanten oder andere Abweichungen von einer strömungstechnisch günstigen, glatten Form ergeben.
Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit mehreren Abspritzöffnungen 7, die an beliebigen Punkten des Ventilsitzkörpers 5 angebracht sein können. Vorzugsweise sind sie auf mehreren runden oder elliptischen Lochkreisen, die zueinander konzentrisch oder exzentrisch sein können, oder auf mehreren parallelen, schräg oder versetzt zueinander angeordneten geraden oder gebogenen Lochreihen angeordnet. Der Abstand zwischen den Lochmittelpunkten kann dabei äquidistant oder unterschiedlich sein, sollte jedoch aus fertigungstechnischen Gründen zumindest einen Lochdurchmesser betragen. Die räumliche Orientierung kann für jede Lochachse unterschiedlich sein, wie in Fig. 2 für zwei Abspritzöffnungen 7 angedeutet. Die Herstellung der Abspritzöffnungen 7 wird im Folgenden anhand der Fig. 3A und 3B erläutert.
Fig. 3A und 3B zeigen in einer auszugsweisen Schnittdarstellung ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Brennstoffeinspritzventil 1 im Bereich einer beispielhaften Abspritzöffnung 7 in zwei aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten.
Fig. 3A zeigt eine beispielhafte Abspritzöffnung 7 eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 nach einem ersten Bearbeitungsschritt. Die Abspritzöffnung 7 wird beispielsweise mittels Erodieren oder eines anderen geeigneten Herstellungsverfahrens in einer Grundform hergestellt.
Da die Oberfläche der Abspritzöffnung 7 nach dem ersten Bearbeitungsschritt jedoch relativ rauh ist, ist der Einlaufbereich 39 der Abspritzöffnung 7 strömungsungünstig ausgebildet, was die Kavitationsneigung erhöht und das Strömungsverhalten ungünstig beeinflußt. Dadurch ist eine Nachbearbeitung erforderlich.
Fig. 3B zeigt in gleicher Darstellung wie Fig. 3A die beispielhafte Abspritzöffnung 7 nach dem zweiten Bearbeitungsschritt. Gegenüber der ursprünglichen Form ist der Einlaufbereich 39 nachbearbeitet, so daß der Durchmesser der Abspritzöffnung 7 im Einlaufbereich 39 größer ist als im Auslaufbereich 42. Dadurch ergibt sich eine strömungsgünstig geformte Abspritzöffnung 7. Die Querschnittskonturlinie der Abspritzöffnung 7 zwischen dem Einlaufbereich 39 und dem Auslaufbereich 42 verläuft parabelförmig.
Die Nachbearbeitung der vorgeformten Abspritzöffnung 7 erfolgt vorzugsweise mittels Hydroerosion oder eines anderen strömungsgeführten Prozesses, wodurch die Wandung 41 der Abspritzöffnung 7 geglättet und dadurch die Kavitationsneigung verringert wird. Die Hydroerosion findet mittels eines viskosen Schleifmittels statt, welches so gewählt werden kann, daß die Aufrauhung der Wandung 41 poliert werden kann.
Im Einlaufbereich 39 der Abspritzöffnungen 7 ist als weitere strömungsbegünstigende Maßnahme ein Einzugsradius 40 vorgesehen, der für die Vermeidung einer Strömungsablösung in der Abspritzöffnung 7 vorteilhaft ist.
Durch die besondere Form der Abspritzöffnungen 7 können das Strömungsverhalten und die Gemischbildung verbessert werden, wodurch die Emissionswerte sinken. Da der Durchmesser der Abspritzöffnungen 7 typischerweise weniger als 200 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. Durch die sich verjüngende Form der Abspritzöffnungen 7 steigt die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs in Strömungsrichtung an, wodurch eine Ablösung der Strömung in der Abspritzöffnung 7 verhindert wird. Durch die anliegende Strömung werden die Abspritzöffnungen 7 vor Verkokungen geschützt, so daß sie nicht durch Verkokungsrückstände zuwachsen können.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und z. B. für beliebig angeordnete Abspritzöffnungen 7 sowie für beliebige Bauweisen von nach innen öffnenden Mehrloch-Brennstoffeinspritzventilen 1 anwendbar. Ebenso ist die Erfindung auf selbstzündende Brennkraftmaschinen (z. B. Dieselmotoren) anwendbar.

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1) für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen mit einem Ventilschließkörper (4), der zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildeten Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und zumindest einer Abspritzöffnung (7), die in Strömungsrichtung nach dem Dichtsitz angeordnet ist,
wobei die Abspritzöffnung (7) in Strömungsrichtung verjüngt geformt ist, wobei ein Einlaufbereich (39) der Abspritzöffnung (7) abgerundet ist und einen größeren Öffnungswinkel aufweist als ein Auslaufbereich (42),
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Querschnittskonturlinie (43) der Abspritzöffnung (7) zwischen dem Einlaufbereich (39) und dem Auslaufbereich (42) parabelförmig verläuft.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abspritzöffnungen (7) mittels Erodieren herstellbar sind.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Einlaufbereich (39) der Abspritzöffnungen (7) ein Einzugsradius (40) ausgebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abspritzöffnungen (7) mittels eines strömungsgeführten Prozesses nachbearbeitbar sind.