DE3943005C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein elektromagnetisch betätigbares Einspritzventil mit einem scheibenförmigen Ventilkörper ist z. B. aus der WO 88/04727 bekannt. Dieses Einspritzventil weist einen leichten Ventilkörper auf, wodurch ein schnelles Ansprechen möglich ist. Bei diesem Ventil ist in dem dem Ventilkörper gegenüber angeordneten Ventilsitz eine Einspritzöffnung ausgebildet. Dem Kraftstoff wird daher während des Durch­ tritts durch die Einspritzöffnung nur eine Bewegung in axialer Richtung erteilt.

Die Kraftstoffzerstäubung und die Form des zerstäubten Kraftstoffs kann jedoch bei einer solchen Vorrichtung nicht eingestellt werden. Dadurch kommt es zu Problemen hinsichtlich des Ansprechverhaltens und der Starteigen­ schaften der Brennkraftmaschine bei niedrigen Temperaturen, da bei einem üblichen Kraftstoffdruck von 2-4·10⁵ Pa ein mittlerer Teilchendurchmesser von 300 µm oder größer erhalten wird. Dadurch wird der Kraftstoff nicht mehr als Sprühnebel und kaum verteilt eingebracht. Der eingespritzte Kraftstoff weist ferner eine Zylinder­ form auf und es entstehen bei Verwendung von Ersatzstoffen für das Benzin leicht Ablagerungen an der Einspritzöffnung.

In der GB 21 76 839 A ist ein gattungsgemäßes elektro­ magnetisch betätigbares Plattenventil mit einem Drallelement beschrieben, das zwischen der beweglichen Ventilplatte und der Einspritzöffnung innenseitig des Ventilsitzes angeordnet ist. Dadurch weist das Drallelement konstruktions­ bedingt einen relativ kleinen Durchmesser auf, wodurch nur eine mittelmäßige Zerstäubung des Kraftstoffs erhalten wird. Weiterhin kann in dem Drallelement nach dem Schließen des Ventils Kraftstoff zurückbleiben, so daß dieser in unerwünschter Weise durch die Einspritzdüse nachtropfen kann.

In der GB-PS 15 98 296 ist eine Einspritzventilvorrichtung mit einem Nadelventil beschrieben. Das elektromagnetisch betätigte Nadelventil kommt auf einem ringförmigen Ventil­ sitz mit einer Federkraft zu liegen und dichtet dadurch den Kraftstoffkanal ab. Das Nadelventil weist eine relativ hohe träge Masse auf, wodurch das Ansprechverhalten des Ventils sinkt. Ferner ist eine Zerstäubung des Kraftstoffs durch das Fehlen eines Drallelements für viele Anwendungen ungenügend.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektromagnetisches Ein­ spritzventil zu schaffen, das einen geringeren Druckver­ lust des Kraftstoffstromes und damit eine verbesserte Kraftstoffzerstäubung gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die nachgeordneten Patentan­ sprüche 2-6 kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Der zugeführte Kraftstoff wird erfindungsgemäß durch das Drallelement und die Drallkammer in eine Drehbewegung um die äußeren Mantelfläche des zylindrischen Ansatzes versetzt und anschließend durch das obere Ende des An­ satzes zur Einspritzbohrung geleitet. Hierbei liegen die Drallkammer und das Drallelement stromauf des Ventil­ sitzes.

In vorteilhafter Weise kann der Kraftstoff durch das Drall­ element in eine innen liegende Drallkammer mit einer Dreh­ bewegung eingebracht werden. Stromab der Drallkammer und des Drallelements ist als oberer Abschluß eines Ansatzes, der eine innere Begrenzung der Drallkammer bildet, der Ventilsitz angeordnet. Stromab des Ventilsitzes befindet sich die Einspritzbohrung. Durch die erfindungsgemäße vorteilhafte Anordnung des Drallelements, der ringförmigen Drallkammer und des innen liegenden und stromab angeordne­ ten Ventilsitzes wird eine außerordentlich gute Verwirbelung und Zerstäubung des Kraftstoffs bei einem niedrigen Druck­ verlust erzielt.

Weitere Vorzüge und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines elektro­ magnetisch betätigten Einspritzventils;

Fig. 2 einen Querschnittausschnitt des Einspritzven­ tils mit einem stromab zum Drallelement und zur Drallkammer angeordneten Ventilsitz;

Fig. 3 die Schnittansicht I-I aus Fig. 2;

Fig. 4 den Querschnitt des Drallelements aus Fig. 2;

Fig. 5 den Querschnittausschnitt des Einspritzventils mit einer stufigen Ventilplatte;

Fig. 6 die Schnittansicht II-II aus Fig. 5;

Fig. 7 einen Querschnittausschnitt eines Einspritz­ ventils mit einem ringförmigen Drallelement;

Fig. 8 die Schnittansicht III-III aus Fig. 7; und

Fig. 9 einen Querschnittausschnitt eines Einspritz­ ventils mit einem ringförmigen Führungsan­ satz an der Ventilplatte.

In Fig. 1 ist ein Einspritzventil mit einer Antriebsquelle dargestellt, die einen Magnetkreis und eine Spulenanordnung 7 zum Erregen des Magnetkreises enthält, wobei eine Ventil­ platte 1 durch die Erregung des Magnetkreises um eine vorbestimmte Strecke angehoben wird. Der Ventilplatte 1 gegenüberliegend ist eine Ventilsitzplatte 2 mit einem Ventilsitz angeordnet, wobei der Ventilsitz und die Ventil­ platte 1 eine verstellbare Drossel und gemeinsam ein Plattenventilteil 50 bilden. Ein Drallelement 3 versetzt den über den Ventilsitz einströmenden Kraftstoff in eine kreisförmige Drehbewegung. Eine Einspritzbohrung 4 bildet einen unveränderlichen Drosselmechanismus mit einem vorge­ benen Druckverlustverlauf. Ein Anschlag 12 begrenzt die Strecke, um die die Ventilplatte 1 gehoben werden kann.

Der Magnetkreis ist durch ein zylindrisches Gehäuse 5, einen Kern 6, der ein zentral verlaufendes hohles Abschlußelement bildet und das offene Ende des Gehäuses 5 verschließt, und die Ventilplatte 1 gebildet, die dem Kern 6 durch einen Spalt beabstandet, bewegbar gegenübersteht. Der Kern 6 weist längs seiner Mittenachse eine Bohrung auf, in der eine Feder 10 festgelegt ist, die die Ventilplatte 1 gegen den Ventilsitz 2 mit einer Druckkraft beaufschlagt. Das obere Ende der Feder 10 liegt am unteren Ende eines Stell­ elements 11 an, das zentral in den Kern 6 eingeführt ist, um eine Soll-Federkraft einzustellen. Die Spule 8 zur Erregung des Magnetkreises ist auf einen Spulenkörper 9 gewickelt. Die Spulenanordnung 7, die aus der Spule 8 und dem Spulenkörper 9 besteht, hat einen Anschluß 15, der unter Bildung einer Buchse 16 mit Kunstharz umgossen ist. Ein Filter 17 ist als Einlaß für Kraftstoff vor­ gesehen, um zu verhindern, daß Staub oder im Kraftstoff oder in der Leitung enthaltene Fremdstoffe in das Ein­ spritzventil eintreten. Der durch den Einlaß 18 zugeführte Kraftstoff durchströmt einen zwischen dem Kern 6 und dem Stellelement 11 gebildeten Zwischenraum mit Polyederquer­ schnitt, die Zentralbohrung im Kern 6 und dann mehrere Öffnungen 19, die im Kern 6 gebildet sind, bevor der Kraft­ stoff die Ventilplatte 1 erreicht. Eine Düse 14 ist vorge­ sehen, die verhindert, daß sich der in der Saugleitung (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine befindliche Kohlen­ stoff oder dgl., an der Einspritzbohrung 4 absetzt, wenn das Einspritzventil an die Saugleitung angesetzt ist. Durch die O-Dichtringe 20, 21, 22 und 23 wird ein Austreten von Kraftstoff verhindert. Ein Abstandshalter 13 ermöglicht das Einstellen des Ventilplattenhubs. Die Ventilplatte 1 weist eine Mehrzahl von Durchgangsbohrungen 24 in der Umfangsrichtung auf, die Kraftstoffkanäle bilden.

Im folgenden ist die Funktionsweise eines elektromagnetisch betätigten Einspritzventils beschrieben. Die Ventilplatte 1 wird von einem an die Spule 8 angelegten Ein-Aus-Signal betätigt, so daß zwischen der Ventilplatte 1 und dem Ven­ tilsitz ein Strömungskanal gebildet ist, wodurch die Kraft­ stoffeinspritzung erfolgt. Das elektrische Signal wird der Spule 8 als Impuls zugeführt, dessen Dauer entsprechend der einzuspritzenden Kraftstoffmenge von einer elektroni­ schen Steuerung (nicht dargestellt) bestimmt wird. Die Ventilplatte 1 wird normalerweise durch die Druckkraft der Feder 10 und den Kraftstoffdruck gegen den Ventilsitz gedrückt. Wenn in der Spule 8 ein Strom fließt, bilden der Kern 6, das Gehäuse 5 und die Ventilplatte 1 gemeinsam einen Magnetkreis, der eine Anziehungskraft auf die Ventilplatte 1 ausübt. Wenn die auf die Ventilplatte 1 wirkende Anziehungskraft die Federkraft und den Kraft­ stoffdruck übersteigt, wird die Ventilplatte 1 angehoben und ein Kraftstoffströmungsweg wird zwischen der Ventil­ platte 1 und dem Ventilsitz gebildet. Der Kraftstoff, der von der Ventilplatte 1 in den Ventilsitz strömen soll, durchströmt die Kanäle 3c und dann die Kanäle 3b des Drallelements 3 (Fig. 3), bevor er in die Drallkammer 3a eintritt, in der er zum kreisförmigen Strömen in der Drallkammer 3a gebracht wird. Der mit einer Drehkraft beaufschlagte Kraftstoff wird dann durch die Einspritz­ bohrung 4 eingespritzt. Die den Kraftstoff beaufschlagende Drehkraft beschleunigt seine Vergasung und verbessert die Zerstäubung. Insbesondere strömt der Kraftstoff aus einem Kraftstoffkanal durch eine Aufweitung und durch den Kraftstoffilter 17 in die Einspritzventilvorrichtung von deren Kraftstoffeinlaß 18 unter einem durch die Kraftstoffpumpe und den Druckleger (nicht gezeigt) be­ stimmten Druck. Im Einspritzventil durch­ strömt der Kraftstoff das Innere des Kerns 6, die im Kern 6 gebildeten mehreren Öffnungen 19 sowie die in der Ventil­ platte 1 gebildeten mehreren Öffnungen 24 und wird dann dem Ventilsitz zugeführt, wenn das Ventil geöffnet ist. Danach wird der Kraftstoff in die Drallkammer 3a des Drallelements 3 eingeleitet und aus der Einspritzbohrung 4 in die Saug­ leitung (nicht gezeigt) z. B. einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Wenn die Spule 8 entregt wird und die magne­ tische Anziehungskraft der Ventilplatte 1 somit verschwin­ det, wird die Ventilplatte 1 wieder von der Feder 10 und dem Kraftstoffdruck gegen den Ventilsitz gedrückt (die Druckkraft der Feder 10 übersteigt den Kraftstoffdruck), so daß der Strömungskanal zwischen der Ventilplatte 1 und dem Drallelement 3 geschlossen wird. Der Strömungs­ querschnitt der Einspritzöffnung 4 ist sehr klein, so daß die einzuspritzende Kraftstoffmenge durch die Ein­ spritzbohrung 4, die den Kraftstoff mit hohem Wirkungs­ grad in eine kreisförmige Strömung bringt, dosiert werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Kraftstoff, der einen Druck von 2-4·10⁵ Pa aufweist, wie er normalerweise in einem Benzinmotor vorliegt, so zerstäubt werden, daß er einen mittleren Teilchendurch­ messer von 100 µm oder kleiner besitzt. Da ferner der mit der Drehkraft beaufschlagte Kraftstoff durch die Ein­ spritzbohrung 4 strömt, kann die Einspritzbohrung 4 ge­ reinigt werden, so daß keine Ablagerungen entstehen. Die Umfangsfläche des zylindrischen Drallelements 3 ist ferner an mehreren Stellen eingeschnitten, so daß seine Herstellung vereinfacht ist. Da ferner das Drallelement 3 nicht maschi­ nell bearbeitet, sondern durch Sintern hergestellt ist, ist die für seine Herstellung benötigte Zeit kurz, und die Herstellungskosten des Produkts können gesenkt werden.

Der statische Kraftstoffdurchsatz wird durch die Druck­ verluste in den Strömungskanälen des Drallelements 3 und die auf den Kraftstoff wirkende Drehkraft beeinflußt. Die Druckverluste in den Strömungskanälen sind hauptsäch­ lich durch den Querschnittsbereich der Strömungskanäle bestimmt. Die Öffnungsquerschnitte der Strömungskanäle dieses Ausführungsbeispiels werden unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben. Der Öffnungsquerschnitt A₁ der Strö­ mungskanäle des Drallelements 3 kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden, wobei der hydrodynamische Durch­ messer, der durch die Breite W der Nuten des Drallelements 3 sowie die Tiefe H der Nuten gegeben ist, zur Verwendung kommt:

mit n als Anzahl der Nuten.

Der Öffnungsquerschnitt A₂ zwischen Ventilplatte 1 und Ventilsitz lautet wie folgt:

A₂ = πDx (2)

mit D als typischer Durchmesser eines Ventilsitzes mit

und x als Ventilplattenhub.

Der Öffnungsquerschnitt A₃ der Einspritzbohrung 4 ist:

mit d als Durchmesser der Einspritzbohrung 4.

Der Öffnungsquerschnitt A₃ der Einspritzbohrung 4 und die Öffnungsquerschnitte A₁ und A₂ haben folgende Be­ ziehung:

A₁ < A₂ < A₃ .

Das bedeutet, daß die Einspritzbohrung 4 den engsten Strö­ mungskanal aufweist. Dadurch kann die einzuspritzende Kraftstoffmenge durch die Einspritzbohrung zugemessen werden. Ferner nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs zu, da dieser abwärts strömt. Infolgedessen gibt es keinen Druckabfall im zugeführten Kraftstoff, und es kann ein wirksamer drehender Kraftstoffstrom er­ halten werden, was zu der sehr guten Vergasung des Kraft­ stoffs führt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen ein Einspritzventil mit einem Drallelement 3, das stromauf des Ventilsitzes angeordnet ist, wobei die Drallkammer 3a von der Außenfläche eines zylindrischen Ansatzes mit einer kreisförmigen Dicht­ fläche 2a und der Innenfläche des Drallelements 3 gebildet ist. Das Gehäuse 5, der Anschlag 12 und das Abstandselement 13 sind teilweise eingeschnitten, zur Bildung eines Kraft­ stoffströmungskanals 30, durch den der Kraftstoff zu den Strömungskanälen 3c des Drallelements 3 geleitet wird.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Ventilplatte 1 mit einer an der Unterseite ausgebildeten Abstufung, die das Drall­ element 3 innenseitig etwas überdeckt. Dadurch kann der Rotationsbetrag des Kraftstoffs in der Drallkammer 3a verstärkt und damit die Verwirbelung des Kraftstoffs weiter verbessert werden.

Die Fig. 7 und 8 zeigen ein zylindrisches Drallelement 3 mit einem Aufnahmeabschnitt 25. Das Drallelement 3 weist mehrere Nuten 3b auf, die exzentrisch angeordnet sind. Die Drallkammer 3a ist innenseitig des Drallelements 3 ausgebildet und wird unter anderem von dem Aufnahmeab­ schnitt 25 begrenzt. Dadurch kann die Größe des Drall­ elements reduziert werden.

Fig. 9 zeigt die Ventilplatte 1 mit einem zylindrischen Vorsprung 1a. Durch den Vorsprung 1a kann das Drallelement 3 die Ventilplatte 1 führen. Ferner wird dadurch die Dicht­ wirkung der Drallkammer 3a verstärkt. Weiterhin kann eine Neigung des Plattenventils 1 in seine Radialrichtung, die während des Betriebs auftreten kann, verhindert und die Kraftstoffzerstäubung weiter verbessert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Einspritzventil mit einer leichten Ventilplatte kann die Kraftstoffzerstäubung verbessert und der Durchmesser der Kraftstoffteilchen verringert werden. Ferner ergibt sich eine sehr gute Reinigungswirkung der Einspritzbohrung, so daß sich dort keine Fremdstoffe ablagern können. Dadurch kann eine Brennkraftmaschine bei niedriger Temperatur sehr leicht gestartet werden, und das Ansprechverhalten und die Zuverlässigkeit der Maschine werden verbessert.

Durch die Vereinfachung des Kraftstoffströmungskanals in dem Drallelement können ferner die Herstellungskosten des Drallelements gesenkt werden. Diese Herstellungskosten können weiter dadurch gesenkt werden, daß für die Her­ stellung des Drallelements ein Sinterverfahren angewandt wird.

Claims (7)

1. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit

• - einer gegen Federkraft bewegbaren Ventilplatte (1),
• - einem an einer Ventilsitzplatte (2) ausgebildeten Ventilsitz, der als zylindrischer axialer Ansatz stromauf der Ventilsitzplatte (2) ausgebildet ist und eine kreisförmige ebene Dichtfläche (2a) aufweist,
• - einem stromauf einer Einspritzbohrung (4) angeordneten Drallelement (3), in dem mehrere exzentrisch-radiale Kraftstoffkanäle (3c, 3b) ausgebildet sind, die in eine achsennahe zentrale Drallkammer (3a) tangential ausmünden, wobei der Kraftstoff dem Drallelement (3) über axiale Kanäle zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Drallelement (3) mit der Drallkammer (3a) stromauf des Ventilsitzes angeordnet ist, wobei die Drallkammer (3a) kreisringförmig ausgebildet ist und ihre radialen Begrenzungsflächen durch die äußere Mantelfläche des zylindrischen Ansatzes und einer radial inneren Umfangsfläche des Drallelements (3), in welche die dazu tangentialen Kraftstoffkanäle (3b) münden, und ihre axialen Begrenzungsflächen durch die sich gegen­ überliegenden ebenen Flächen der Ventilplatte (1) und der Ventilsitzplatte (2) gebildet sind.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drallelement (3) als zylindrischer Ring ausge­ bildet ist.

3. Einspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte (1) an ihrer Unterseite einen Führungsring (1a) aufweist, der an dem als Ring ausge­ bildeten Drallelement (3) geführt ist.

4. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang des Drallelements (3) an mehreren Stellen unter Bildung von bogenförmigen, kraftstoffzuführenden Kanälen ausgeschnitten ist.

5. Einspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der kraftstoffzuführenden Kanäle (3b, 3c) wenigstens der doppelten Querschnittsfläche der Ventilsitzöffnung entspricht.

3. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drallelement (3) aus Sintermaterial besteht.