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Dokumentenidentifikation DE102004051138B4 30.11.2006
Titel Druckverstärkendes Brennstoff-Einspritzventil
Anmelder Compact Dynamics GmbH, 82319 Starnberg, DE
Erfinder Gründl, Andreas, Dr., 81377 München, DE;
Hoffmann, Bernhard, 82319 Starnberg, DE
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Anmeldedatum 20.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004051138
Offenlegungstag 04.05.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.11.2006
IPC-Hauptklasse F02M 57/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02M 51/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Brennstoff-Einspritzventil für Brennstoff-Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Grundsätzlich ist es möglich, die Erfindung sowohl bei direkt einspritzenden, als auch bei konventionellen, in das Saugrohr einspritzenden Motoren zu verwenden.

Durch die stetig steigenden Anforderungen der Abgasgesetzgebung mit weiter sinkenden Grenzwerten ergibt sich die Herausforderung, durch eine Optimierung des Einspritzvorgangs von Kraftstoff in die Brennkammer die Entstehung von Schadstoffen am Ort ihrer Entstehung zu optimieren. Kritisch sind insbesondere NOx und Ruß-Emissionen. Durch die Entwicklung von Einspritzsystemen mit immer höheren Einspritzdrücken und hochdynamischen Injektoren, sowie durch gekühlte Abgasrückführung und Oxidationskatalysatoren ist es zwar möglich gegenwärtige Grenzwerte einzuhalten. Allerdings scheint das Potenzial der bisherigen Maßnahmen zur Emissionsreduzierung erreicht zu sein.

Für eine saubere Verbrennung ist es wichtig, den Kraftstoff besonders fein zu zerstäuben. Bei einem Einspritzdruck von zum Beispiel etwa 200 Bar beträgt der mittlere Durchmesser der Kraftstofftröpfchen nur noch ca. 15 Tausendstel Millimeter.

Im Stand der Technik sind sog. "Common Rail"-Systeme bekannt, die auch als Speichereinspritzsysteme bezeichnet werden. Die Druckerzeugung und die Kraftstoffeinspritzung sind beim Common-Rail-System voneinander entkoppelt. Eine separate Hochdruckpumpe erzeugt für alle Einspritzventile eines Verbrennungsmotors kontinuierlich Druck in der Brennstoffzufuhrleitung. Damit wird der Brennstoffdruck unabhängig von der Einspritzfolge aufgebaut und steht in der Kraftstoffleitung permanent zur Verfügung. Der ständig anstehende hohe Druck von mehr als 1350 bar wird in der so genannten Rail (= Schiene, Leitung) gespeichert und über kurze Einspritzleitungen den Injektoren einer Zylinderbank des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt. Der Einspritzzeitpunkt und die Kraftstoffmenge werden für jeden Zylinder individuell berechnet und über schnell schaltende Magnetventile (Injektoren) eingespritzt.

Hierbei ist die Hochdruckpumpe ein zentrales, für die Funktion kritisches Element. Es kommen im Stand der Technik meist Drei-Kolbenpumpen mit einem zentralen Exzenter oder Zweischeiben-Radialkolben-Pumpen zum Einsatz. Derartige Hochdruckpumpe sind aufwendig. Auch die Leitungen und die Dichtungen zwischen der Hochdruckpumpe und den einzelnen Injektoren sind für diesen hohen Druck auszulegen. Außerdem ist es erforderlich, einen Brennstoff-Rücklauf von jedem einzelnen Injektor zu der Hochdruckpumpe bzw. zum Brennstoffreservoir mit einer Brennstoffkühlung vorzusehen. Weiterhin ist es notwendig, dass der Brennstoffdruck im Rail von einem Druckregelventil eingeregelt und von einem Raildrucksensor überwacht wird. Dies stellt einen erheblichen apparativen Aufwand dar, der solche Common-Rail-Systeme sehr kostspielig macht. Außerdem sind diese Systeme wegen des hohen Drucks auch risikobehaftet. So dürfen bei laufendem Motor grundsätzlich keine Hochdruckleitungen gelöst werden. Falls bei einem Common-Rail-System das Öffnen des Hochdruck-Kreislaufs erforderlich ist, müssen nach dem Abstellen des Motors Wartezeiten zum Abbau des Systemdrucks eingehalten werden. Neuere Speichereinspritzsysteme mit mengengeregelter Hochdruckpumpe stehen sogar bis zu fünf Minuten nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors noch unter Hochdruck.

Weiterhin sind im Stand der Technik sog. Pumpe-Düse-Einspritzsysteme bekannt. Hierbei sind die Kraftstoffeinspritzpumpe und die Einspritzdüse für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors in einem einzigen Bauteil zusammengefasst. Das heißt, der Hochdruck (ca. 2000 bar) wird am Einspritzelement jedes Zylinders separat erzeugt. Im Zylinderkopf ist für jeden Zylinder ein Pumpe-Düse-Einspritz-Element montiert und die Pumpenkolben werden von der Nockenwelle des Verbrennungsmotors über Kipphebel angetrieben. Der Kraftstoffzu- und Rücklauf erfolgt über im Zylinderkopf integrierte Kanäle. Die Nockenwelle bewirkt über den Kipphebel und eine Plungerrückstellfeder einen festgelegten Hub für jeden Kolben. Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens strömt der Brennstoff vom Zylinderkopf durch ein Absteuerventil in eine unter dem Plunger liegende Kammer. Zu einem von einem Steuergerät bestimmten Zeitpunkt erregt ein elektrischer Impuls das Absteuerventil um dieses zu schließen. Der Plunger fährt nun abwärts und bewirkt dadurch einen raschen Druckanstieg in den Druckkanälen. Bei einem vorgegebenen Druck öffnet die Düse und die Einspritzung beginnt. Wenn das Absteuerventil stromlos ist, öffnet es. Dadurch bricht der Druck zusammen, die Düse schließt und die Einspritzung ist beendet.

Dieses System ist wegen der separaten Kipphebel an jedem Zylinderkopf mechanisch sehr aufwendig. Außerdem ist der Druckverlauf bzw. der Öffnungsdruck der Düse nur schwer kontrollierbar.

Aus der DE 29 46 632 A1 ist ein Einspritzpumpenventil zur Kraftstoffzufuhr in die Brennkammer einer Brennkraftmaschine bekannt, das ein hohlzylindrisch aufgestuftes Gehäuse hat, an dessen in die Brennkammer ragendem Ende ein Düsenkopf angeordnet ist. Der Düsenkopf hat eine Mittellängsbohrung in der ein Ventilschieber angeordnet ist, welcher zusammen mit einem in der Bohrung befindlichen Sitz ein Auslassventil bildet. Im Gehäuse befindet sich darüber hinaus eine elektromagnetische Einheit, die auf einen Kolben wirkt, der dazu dient, Kraftstoff zu verschieben. Der Kraftstoff wird im Zylinder vom Kolbendruck beaufschlagt und dieser Druck wirkt auf den Kopf eines Ventilschiebers, so dass der Kopf von seinem Sitz abhebt wenn der Druck im Kraftstoff ausreichend hoch ist.

Aus der GB 21 96 701 A ist eine Kraftstoffeinspritzpumpe bekannt, bei der eine Soleonidspulenanordnung in mehreren konzentrisch verlaufenden Nuten angeordnet ist und auf einen tellerförmigen Anker wirkt. Der Anker ist über eine Ventilschlange mit einem Ventilglied verbunden, das zusammen mit einem Ventilsitz ein Absperrventil bildet.

Aus der US 1,534,829 ist ein elektrisch betätigtes Einspritzventil bekannt, bei dem eine Kraftstoffpumpe durch zwei zylindrische Magnetspulen gebildet ist, die jeweils einen Eisenkern umschließen. Die beiden Eisenkerne wirken mit einem Anker zusammen, der an einer gewölbten Membranplatte befestigt ist. Die Membranplatte begrenzt einen Hohlraum mit einem Einlass und einem Auslass, in denen jeweils ein Rückschlagventil angeordnet ist, so dass bei einer Bewegung der Membranplatte durch die Magnetspulen eine Pumpwirkung entsteht; bei Bestromen der Magnetspulen verringert sich der Hohlraum, wenn die Membran von den Magnetspulen angezogen wird, und der Hohlraum vergrößert sich wenn die Membran bei entregten Magnetspulen wieder in ihre Ausgangslage zurückkehrt.

Aus der DE 26 21 272 C2 ist eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung mit einem Rückschlusskörper aus magnetisch leitendem Material bekannt. Diese Vorrichtung hat eine im Inneren des Rückschlusskörpers angeordnete ringförmige Induktionsspule aus zwei hintereinander angeordneten, gleichartigen, mit einem Steuergleichstrom erregbaren Wicklungen mit entgegengesetztem Wicklungssinn und mit einem konzentrisch innerhalb der Induktionsspule angeordneten Anker, der aus einem Permanentmagneten besteht. An dessen axialen Enden befinden sich Polstücke, wobei die Induktionsspule länger ist als der Anker und die Induktionsspule in dem Gehäuse fest und der Anker beweglich angeordnet ist. Auf der einen Seite des Ankers ist ein Magnet mit konstanter Magnetisierung und auf der anderen Seite ein Rückschlusselement aus magnetisch leitendem Material so angebracht, dass die abstoßende Kraft zwischen dem Magneten und dem Anker und die anziehende Kraft zwischen dem Rückflusselement und dem Anker sich zu einer Gesamtkraft addieren, die über den Hub des Ankers möglichst konstant ist.

Aus der JP-2000-2117 A ist es bekannt, mittels eines Tauchanker-Elektromagneten einen Kolben einer Brennstoffpumpe zu betätigen, die den Brennstoff zu einer Einspritzdüse fördert. Die Einspritzdüse hat ein federgestütztes Ventilglied, das bei Vorliegen eines bestimmten Druckniveaus in dem Brennstoff von seinem Ventilsitz abhebt, so dass der Brennstoff in einen Brennraum ausströmt.

Aus der DE 598918 (1934 veröffentlicht) ist eine elektrisch gesteuerte Brennstoffeinspritzvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit einer Einspritzpumpe und einem Einspritzventil bekannt. Das Einspritzventil hat ein Ventilglied, das mit einem Pumpenkolben der Einspritzpumpe verbunden ist. Das Ventilglied und der Pumpenkolben werden durch den Brennstoffdruck angehoben. Ein Elektromagnet betätigt den Pumpenkolben damit dieser einen Einspritzhub ausführt und drückt anschließend das Ventilglied in dessen Ventilsitz des Einspritzventils.

Aus der US 6,302,341 B1 ist ein Kraftstoffinjektor bekannt, bei dem zwei Elektromagnetspulen entlang einer Kraftstoffleitung angeordnet sind. Zwei Spindeln sind durch zwei Federn nachgiebig gelagert und durch die Elektromagnetspulen hin und her bewegbar. Die beiden Spindeln öffnen bzw. schließen den Zulauf bzw. den Auslass des Kraftstoffs. Das Zusammenwirken der beiden Elektromagnetspulen mit den beiden Spindeln ist dabei so gesteuert, dass Kraftstoff mit einem bestimmten, konstanten Druck in die Anordnung einströmt und in kontrollierter Weise ausströmen kann. Im Prinzip funktioniert diese Anordnung wie eine Schleuse.

Aus der DE 29 46 577 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, welches als Kombination aus Pumpe und Kraftstoffinjektor ausgebildet ist. In einem Zylinder ist ein Pumpenstempel gleitbar angeordnet, der mittels einer elektromagnetischen Vorrichtung im Sinne einer Verdrängung des Kraftstoffs aus dem Zylinder zu betätigen ist. Der Zylinder hat einen Kraftstoffeinlass, durch den während der Rückkehrbewegung des Pumpenstempels Kraftstoff in den Zylinder fließen kann. Im Betrieb bewegt sich bei erregtem Elektromagneten der Anker in Richtung Kraftstoffauslass und erteilt dabei dem Pumpenstempel eine Axialbewegung. Diese Bewegung des Pumpenstempels setzt den in dem Zylinder enthaltenden Kraftstoff unter Druck. Sobald ein ausreichend hoher Druck erreicht ist, hebt ein Ventilteller von seinem Sitz ab und Kraftstoff fließt in den Verbrennungsraum des Motors. Bei entregtem Elektromagneten befördert eine Feder den Stempel und den Anker des Elektromagneten in seine anfängliche Position zurück und Kraftstoff fließt über ein Rückschlagventil in den Zylinder. Der Ventilteller geht zurück auf seinen Sitz wenn der Druck in dem Zylinder reduziert wird.

Aus der DE 890 307 C ist eine elektromagnetische Kolbenpumpe bekannt, bei der in zwei stirnseitig aneinanderliegenden hohlzylindrischen Soleonidspulen ein längsverschieblich aufgenommener Eisenkern eine Kolbenstange betätigt, die auf einen Hohlkolben wirkt, der in seinem Kolbenboden ein Einlassventil hat.

Der Erfindung zugrunde liegendes Problem

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Nachteile der oben genannten bekannten Systeme zumindest teilweise zu überwinden, sowie eine kompakt bauende und kostengünstige Anordnung eines Brennstoff-Einspritzventils bereitzustellen, die in der Lage ist, Brennstoff mit hohem Druck einzuspritzen.

Erfindungsgemäße Lösung

Die Erfindung löst dieses Problem durch ein Brennstoff-Einspritzventil für Brennstoff-Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zur direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem Brennstoff-Einlass, der dazu eingerichtet ist, Brennstoff aus einer Brennstoff-Verteil-Leitung aufzunehmen, einer Vorkammer, die mit dem Brennstoff-Einlass durch einen Strömungskanal verbunden ist, einem Rückschlagventil, das ein Austreten von in der Vorkammer befindlichem Brennstoff in Richtung Brennstoff-Einlass verhindert, einem in die Vorkammer ragenden verschiebbaren Kolben, der dazu vorgesehen ist, das Volumen der Vorkammer zu verändern, wobei der Kolben durch eine Elektromagnet-Anordnung im Sinne einer Volumenverringerung zu betätigen ist um den Brennstoff unter hohen Druck zu setzen, und wobei ein Stator und ein Anker der Elektromagnet-Anordnung im Innern der Vorkammer angeordnet sind, und mit einer Einspritz-Ventilanordnung, die ein bewegliches Ventilglied aufweist, das durch eine elektrisch ansteuerbare Betätigungseinrichtung zu bewegen ist, um in einer Offenstellung der Einspritzventilanordnung den in der Vorkammer durch den Kolben unter hohen Druck gesetzten Brennstoff durch einen Brennstoff-Auslass ausströmen zu lassen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brennstoff-Einspritzventils ist es möglich ohne die Hochdruckleitungen des Common-Rail-Systems auszukommen, da der hohe Druck lokal (unmittelbar) bei dem Brennstoff-Injektor erzeugt wird. Dies verringert die Anforderungen an die Brennstoff-Zufuhr-Leitungen signifikant. Außerdem ist es nicht erforderlich, den hohen Druck permanent vorzuhalten. Vielmehr ist es ausreichend, den Druck zeitlich kurz vor dem (ersten) Einspritzvorgang des gesamten Einspritz-Zyklus des Verbrennungsmotors anzuheben. Gleichermaßen besteht nicht die Einschränkung von Pumpe-Düse-Systemen, bei denen der apparative Aufwand der Kipphebelanordnungen mit entsprechender Montage und Justierung erforderlich ist.

Erfindungsgemäß sind der Stator und/oder der Anker im Innern der Vorkammer angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass zwischen dem Niederdruckbereich (etwa bis 20 bar Fluiddruck) und dem Hochdruckbereich (etwa 100 bar – 3000 bar Fluiddruck) keine druckfesten Leitungen und Dichtungen vorzusehen sind. Vielmehr ist in diesem Fall eine gekapselte Ausführungsform möglich, in der sämtliche Komponenten aufgenommen sind.

Die Erfindung erlaubt weiterhin, den hohen Druck des Brennstoffs während eines Einspritz-Zyklus praktisch konstant zu lassen, was eine optimal feine und rasche Zerstäubung des Brennstoffs im Zylinder des Verbrennungsmotors sicherstellt. Es ist jedoch auch möglich, den hohen Druck des Brennstoffs während eines Einspritz-Zyklus – durch Variation des Erregerstroms der auf den Kolben wirkenden Elektromagnet-Anordnung – zu verändern, sollte dies aus Gründen des Motormanagement gewünscht sein. Diese Möglichkeit bieten weder das herkömmliche Pumpe-Düse-System, noch das Common-Rail-System.

Ein weiterer Vorzug der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass – anders als bei dem Pumpe-Düse-System – die Erzeugung des Druckes in dem Brennstoff unabhängig von der Betätigung des Injektors erfolgt. Dazu sind erfindungsgemäß zwei unabhängig voneinander zu anzusteuernde Aktoren in Gestalt der elektrisch ansteuerbaren Betätigungseinrichtung für die Einspritz-Ventilanordnung einerseits und der Elektromagnet-Anordnung zur Betätigung des Kolbens im Sinne einer Volumenverringerung andererseits vorgesehen.

Die Erfindung macht sich das Prinzip zunutze, zwischen dem Brennstoff-Einlass und dem eigentlichen Brennstoff-Injektor, also der Einspritzventil-Anordnung, eine lokale, kompakte Druckgeberanordnung für ein kleines Volumen (nämlich die Brennstoffmenge eines Einspritzvorgangs) vorzusehen, das für einen kurzen Zeitraum (nämlich die Dauer eines Einspritzvorgangs) mit einem hohen Druck zu beaufschlagen ist. Dazu ist die Druckgeberanordnung mit einer Kammer vorgesehen, in die ein Kolben eintaucht, sowie mit einer Elektromagnet-Anordnung zur Betätigung des Kolbens.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung

Bei einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoff-Einspritzventils ist ein Rückschlagventil vorgesehen, durch das ein Austreten von in der Vorkammer befindlichem Brennstoff in Richtung Brennstoff Einlass verhindert ist. Dabei kann das Rückschlagventil in dem Strömungskanal, oder in dem verschiebbaren Kolben, vorzugsweise in einem in dem Kolben befindlichen Brennstoff-Durchlass angeordnet sein.

Erfindungsgemäß hat die Elektromagnet-Anordnung einen Stator und einen Anker, wobei der Anker mit dem verschiebbaren Kolben fest oder Betrieblich verbunden ist. Alternativ dazu kann der Kolben auch ein einstückiges Teil des Ankers sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Stator als Multipolstator ausgebildet ist, der eine oder mehrere, den jeweiligen Statorpolen zugeordnete Erregerspulen aufweist. Dies erlaubt das Erzeugen einer hohen magnetischen Kraftdichte, die sich in einem schnell auf- und abbauenden Magnetfeld und in einem hohen hydraulischen Druck in dem Brennstoff manifestiert.

In ähnlicher Weise kann auch der Anker als Multipolanker ausgebildet sein, dessen Ankerpole auf die jeweiligen Statorpole hin ausgerichtet sind.

Die Elektromagnet-Anordnung hat zwischen dem Stator und dem Anker einen vorzugsweise im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung des Ankers orientierten Arbeitsluftspalt. Je nach räumlicher Gegebenheit ist es jedoch auch möglich, den Arbeitsluftspalt anders zu orientieren.

Um einen möglichst ungehinderten Fluss des Brennstoffs zu ermöglichen, haben der Stator und/oder der Anker wenigstens einen Brennstoffkanal für Brennstoff in Richtung zu der Einspritz-Ventilanordnung hin.

Damit nach Beendigung eines Einspritz-Zyklus wieder neuer Brennstoff in die Vorkammer zum Druckaufbau beim nächsten Einspritz-Zyklus angesaugt wird, bzw. damit sich der verschiebbare Kolben wieder in seine Ausgangsstellung zurückbewegt, ist auf einer von dem Stator abliegenden Seite des Ankers eine, vorzugsweise Permanent-Magnete aufweisende Magnetanordnung vorgesehen, die den Anker in dessen Ruhestellung zieht und dabei im Sinne einer Volumenvergrößerung der Vorkammer den Kolben aus der Vorkammer hinausdrängt. Es wäre jedoch auch möglich, anstelle der Permanent-Magnete eine Elektromagnet-Anordnung zu verwenden.

Erfindungsgemäß sind die Vorkammer, die Einspritz-Ventilanordnung, der Kolben und die Elektromagnet-Anordnung in einem gemeinsam Gehäuse angeordnet.

Die Betätigungseinrichtung des Injektors (also des Einspritzelementes) wirkt auf ein bewegliches Ventilglied der Ventilanordnung ein, um dieses gegenüber einem mit dem Ventilglied zusammenwirkenden und stromabwärts zu dem Brennstoff-Einlass angeordneten ortsfesten Ventilsitz zwischen einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung zu bewegen.

Um besonders schlanke oder lang gezogene Bauformen mit großen Halte- oder Schließkräften zu realisieren kann eine Kaskadierung von mehreren auf die Ventilanordnung wirkende Betätigungseinrichtungen, und/oder mehrere auf den Kolben wirkende Elektromagnet-Anordnungen erfolgen. Dabei können die Betätigungseinrichtungen dabei gemeinsam auf die Ventilanordnung wirken – entweder gleichsinnig oder gegensinnig. Entsprechendes gilt für die auf den Kolben wirkenden Elektromagnet-Anordnungen.

Erfindungsgemäß wirkt die Betätigungseinrichtung auf ein bewegliches Ventilglied ein, um dieses gegenüber einem mit dem Ventilglied zusammenwirkenden und stromabwärts zu dem Brennstoff-Einlaß angeordneten ortsfesten Ventilsitz zwischen einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung zu bewegen. Damit kann eine direkt schaltende Ventilanordnung realisiert werden.

Bei einer anderen Anordnung des Brennstoff-Einspritzventils wirkt die Betätigungseinrichtung auf ein bewegliches Ventilglied ein, um dieses gegenüber einem mit dem Ventilglied zusammenwirkenden ortsfesten Ventilsitz zwischen einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung zu bewegen. Damit ist ein gesteuertes Ablassen von Brennstoff in eine Rückführleitung ermöglicht, wenn ein zweites, federbelastetes Ventilglied zusammen mit einem zweiten Ventilsitz durch den im Brennraum herrschenden Druck nicht geöffnet wird, und ein gesteuertes Ablassen von Brennstoff in den Brennraum ermöglicht, wenn das zweite, federbelastete Ventilglied zusammen mit dem zweiten Ventilsitz durch den im Brennraum herrschenden Druck geöffnet wird. Damit kann eine indirekt schaltende Ventilanordnung realisiert werden.

Das erfindungsgemäße Brennstoff-Einspritzventil kann dazu eingerichtet und dimensioniert sein, in den Brennraum einer fremd gezündeten Brennkraftmaschine, oder in den Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine zu ragen.

Weitere Vorteile, Ausgestaltungen oder Variationsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren in denen die Erfindung im Detail erläutert ist.

Kurzbeschreibung der Figuren

1 zeigt eine schematische Darstellung im Längsschnitt durch ein Brennstoff-Einspritzventil gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

2 zeigt eine schematische Darstellung im Längsschnitt durch ein Brennstoff Einspritzventil gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

3 zeigt eine schematische Darstellung der Funktion des erfindungsgemäßen Brennstoff-Einspritzventils als graphischer Verlauf.

Detaillierte Beschreibung derzeitig bevorzugter Ausführungsformen

In 1 ist Brennstoff Einspritzventil mit einem zu einer Mittellängsachse M im wesentlichen rotationssymmetrischen Ventilgehäuse 10 im schematischen Längsschnitt in einer halb geöffneten Stellung gezeigt. Ein derartiges Brennstoff Einspritzventil dient zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den nicht weiter veranschaulichten Brennraum einer Brennkraftmaschine. Das Brennstoff-Einspritzventil hat (in 1 oben) einen zentralen Brennstoff-Einlaß 12, durch den aus einer Brennstoff Verteil-Leitung mittels einer nicht weiter veranschaulichten Pumpe oder sonstigen Druckgeber unter Druck (etwa 10–20 bar Fluiddruck) gesetzter Brennstoff in das Brennstoff-Einspritzventil einströmen kann. Es ist jedoch auch möglich, den Brennstoff-Einlaß 12 seitlich im in 1 oberen Bereich des Brennstoff-Einspritzventils vorzusehen. Von dem Brennstoff-Einlaß 12 reicht ein zentraler Brennstoff-Kanal 14 zu einer Vorkammer 16. Der zentrale Brennstoff-Kanal 14 hat einen kreisrunden Querschnitt und ist zu der Vorkammer 16 hin aufgeweitet. In dem aufgeweiteten Abschnitt des Brennstoff-Kanals 14 ist ein kreiszylindrischer Kolben 18 verschiebbar und fluiddicht geführt, der in die Vorkammer 16 ragt. Durch ein Verschieben des Kolbens 18 längs der Mittellängsachse M wird das Volumen der Vorkammer 16 verändert.

In dem Kolben 18 ist mittig ein Brennstoff-Durchlass 20 angeordnet, der sich – in Strömungsrichtung des Brennstoffs gesehen – konisch erweitert um einen Ventilsitz 22 für ein als Kugel ausgestaltetes Ventilglied 24 zu bilden, das mittels einer Schraubenfeder 26 gegen den Ventilsitz 22 gedrängt ist. Damit ist ein Rückschlagventil 22, 24, 26 gebildet, durch das ein Austreten von in der Vorkammer 16 befindlichem Brennstoff in Richtung Brennstoff-Einlass 12 verhindert ist.

Der Kolben 18 ist durch eine Elektromagnet-Anordnung im Sinne einer Volumenverringerung zu betätigen. Dazu hat die Elektromagnet-Anordnung 28, 30, 32 einen im Innern der Vorkammer 16 angeordneten, aus Weicheisen(-platten) geformten Stator 28 mit im Wesentlichen kreiszylindrischer Gestalt und einen ebenfalls im Innern der Vorkammer 16 angeordneten, im Wesentlichen kreiszylindrischen Anker 30. Der Anker 30 ist an seiner einen (in 1 oberen) Stirnfläche 30a mit dem verschiebbaren Kolben 18 starr verbunden. Dabei ist der Stator 28 als Multipolstator mit kreisringzylindrischen Statorpolen ausgebildet ist, der mehrere, den jeweiligen Statorpolen 28a, 28b, 28c zugeordnete Erregerspulen 32a, 32b, 32c aufweist. Gleichermaßen ist der Anker 30 als Multipolanker ausgebildet, dessen Ankerpole auf die jeweiligen Statorpole ausgerichtet sind. Damit kann sich der Anker 30 und mit ihm der Kolben 18 entlang der Mittellängsachse M bewegen. Zwischen dem Stator 28 und dem Anker 30 ist ein quer zur Bewegungsrichtung des Ankers 30 orientierter Arbeitsluftspalt 34 gebildet. Dabei stellt der Unterschied zwischen der minimalen und der maximalen Erstreckung des Arbeitsluftspalts das Maß dar, um das der verschiebbare Kolben 18 in die Vorkammer eintaucht und darin befindlichen Brennstoff mit Druck beaufschlagt.

Der Stator 28 und der Anker 30 haben jeweils einen bzw. mehrere Brennstoffkanäle 36, 38 damit der in der Vorkammer 16 befindliche Brennstoff in Richtung zu der Einspritz-Ventilanordnung 40 gelangen kann.

An der von dem Stator 28 abliegenden Seite des Ankers 30 (in 1 oben) ist an der Innenwand des Ventilgehäuses 10 ist eine aus Permanent-Magneten gebildete Magnetanordnung 42 vorgesehen, die den Anker 30 – bei nicht bestromten Erregerspulen 32a, 32b, 32c – in dessen Ruhestellung – (in 1 nach oben) zieht und dabei im Sinne einer Volumenvergrößerung der Vorkammer 16 den Kolben 18 aus der Vorkammer 16 hinausdrängt.

Die Vorkammer 16 ist von der eigentlichen Einspritz-Ventilanordnung 40 durch eine Trennwand 43 getrennt. Dennoch sind die Vorkammer 16 mit dem Kolben 18 und der ihn bewegenden Elektromagnet-Anordnung 28, 30, 32a, 32b, 32c einerseits und die sich daran anschließende Einspritz-Ventilanordnung 40 als gemeinsam handhabbare Baugruppe ausgestaltet.

Die Einspritz-Ventilanordnung 40 hat eine weiter unten im Detail beschriebene Betätigungseinrichtung 44, die auf ein bewegliches Ventilglied 46 der Einspritz-Ventilanordnung 40 einwirkt. Dadurch wird das Ventilglied 46 gegenüber einem mit dem Ventilglied 46 zusammenwirkenden und stromabwärts zu dem Brennstoff-Einlass 12 angeordneten ortsfesten Ventilsitz 48 zwischen einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung (in 1 auf und ab) bewegt.

Die Betätigungseinrichtung 44 ist gebildet durch eine Elektromagnet-Spulenanordnung 44a, eine mit dieser zusammenwirkende weichmagnetische Magnet Jochanordnung 44b, sowie eine mit dieser zusammenwirkende weichmagnetische Magnet-Ankeranordnung 44c. Dabei ist die weichmagnetische Magnet-Jochanordnung 44b aus zwei kreiszylindrischen Hälften 44b' und 44b'' mit konzentrischen Ausnehmungen für entsprechende Erregerspulen der Elektromagnet-Spulenanordnung 44a gebildet. In den Ausnehmungen ist jeweils eine Erregerspule aufgenommen, die bündig mit den jeweiligen Stirnflächen 72a, 72b der Schalen-Hälften 44b' und 44b'' abschließen.

Die Stirnflächen 72a, 72b der Magnetjoch-Hälften 44b' und 44b'' begrenzen einen Arbeitsraum 50, in dem die Magnet-Ankeranordnung 44c längs der Mittelachse M beweglich aufgenommen ist.

Die Magnetjochanordnung kann hier aus einstückigem Weicheisen gebildet sein, aus dem die Polstege bzw. die Zwischenräume ausgeformt sind. In ein derartiges einstückiges Weicheisen-Formteil können Unterbrechungen in Form von Schlitzen oder Langlöchern eingearbeitet sein, die mit elektrisch isolierendem Material gefüllt sind. Es ist aber auch möglich, die Magnetjochanordnung als Formteil aus gesintertem Eisenpulver herzustellen oder aus mehreren gegeneinander isolierten Teilstücken zu montieren und zu ggf. verkleben.

Die Magnet-Ankeranordnung 44c ist eine kreisrunde weicheisenhaltige Scheibe mit einer weiter unten im Detail beschriebenen Gestalt. Die Elektromagnet-Spulenanordnung 44a und die Magnet-Ankeranordnung 44c überlappen sich in radialer Richtung bezogen auf die Mittelachse M. Wie in der 1 gezeigt ist, hat die Elektromagnet-Spulenanordnung 44a einen geringeren Außendurchmesser als die Ankerscheibe 44c, so dass der aus der Elektromagnet-Spulenanordnung 44a hervorgerufene magnetische Fluss praktisch ohne nennenswerte Streu-Verluste in die Ankerscheibe 44c eindringen kann. Damit wird ein besonders effizienter Magnetkreis realisiert, der sehr geringe Ventil-Öffnungs-/Schließ-Zeiten sowie hohe Haltekräfte erlaubt.

Die Ankerscheibe 44c kann – unabhängig von der Gestaltung des Magnetjoches bzw. der Magnet-Spulenanordnung – auch eine geschlossene Kreisscheibe aus Weicheisen sein, sofern die Ausgestaltung des Magnetjoches bzw. der Magnet-Spulenanordnung sicherstellt, dass die Streuverluste bzw. Wirbelstromverluste gering genug für den jeweiligen Einsatzzweck sind.

Wie in 1 veranschaulicht, ist die Ankerscheibe 44c mit einer Ventilglied-Betätigungsstange 52 starr verbunden und in dem durch die Schalen-Hälften 44b' und 44b'' der Magnet-Jochanordnung 44b begrenzten Arbeitsraum 50 längs der Mittelachse M an einem rohrförmigen Düsenstock 60 geführt längsbeweglich aufgenommen. Am Ende des Düsenstocks 60 ist eine Ventilanordnung angeordnet, um den Brennstoff in gesteuerter Weise auszustoßen. Die Ventilanordnung ist durch einen Ventilsitz 48, der sich am (in 1 unteren) Ende des Düsenstocks 60 befindet und in Strömungsrichtung konisch erweitert, sowie ein entsprechend geformtes und mit dem Ventilsitz 48 zusammenwirkendes Ventilglied 46 gebildet. Dabei ist die Ankerscheibe 44c mit der Betätigungsstange 52 durch eine zur Mittelachse M koaxial angeordnete Schraubenfeder 62 belastet, so dass das am Ende der Betätigungsstange 52 befindliche Ventilglied 46 in dem Ventilsitz 48 fluiddicht sitzt, also in seine Geschlossen-Stellung gedrängt ist. Beim Bestromen der (in 1 unteren) Spulen der Elektromagnet-Spulenanordnung 44a wird in der Magnet Jochanordnung 44b ein wirbelstromarmes Magnetfeld induziert, das die Ankerscheibe 44c mit der Betätigungsstange 52 in Richtung der jeweiligen Schalen-Hälfte 44b', 44b'' zieht in der sich die bestromte Spule befindet. Damit bewegt sich das Ventilglied 46 von dem Ventilsitz 48 weg in seine Offen-Stellung. Beim Bestromen der anderen Spule der Elektromagnet-Spulenanordnung 44a bewegt sich das Ventilglied 46 in die jeweils andere Stellung zu dem Ventilsitz 48 hin in seine Geschlossen-Stellung.

Damit wird von dem Brennstoff-Einlaß 12 kommender und in der Vorkammer 16 durch den Kolben 18 unter hohen Druck gesetzter Brennstoff von der Einspritz-Ventilanordnung 40 in gesteuerter Weise durch das Ventilglied 46 bzw. den Ventilsitz 48 in den Brennraum der Verbrennungsmaschine ausgestoßen. Dabei kann es sich entweder um den Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine oder um den Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine handeln.

In 2 ist eine weitere Ausführungsform veranschaulicht, bei der zur Steigerung des maximalen Drucks, der in der Vorkammer 16 erzeugt wird, zwei auf den Kolben 18 wirkende Elektromagnet-Anordnungen 28, 30, 32a, 32b, 32c bzw. 128, 130, 132a, 132b, 132c vorgesehen sind. Dabei sind die beiden Anker 30, 130 durch ein Rohr 140 starr miteinander verbunden. Die jeweils dazugehörenden Statoren 28, 128 wirken gleichsinnig auf die Anker und ziehen im Falle einer Bestromung der jeweiligen Erregerspulen 32a, 32b, 32c bzw. 132a, 132b, 132c die Anker und mit ihnen den Kolben 18 in das Innere der Vorkammer 16 (in 2 nach unten). Damit kann die Kraft zur Erzeugung des Drucks, und damit der Druck selbst in dem Brennstoff erhöht werden. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei auf den Kolben 18 wirkende Elektromagnet-Anordnungen vorgesehen werden können. Gleichermaßen können auch zwei oder mehr Betätigungseinrichtungen 44, vorgesehen werden, die auf das Ventilglied 46 der Einspritz-Ventilanordnung 40 wirken. Dabei können insbesondere zur Realisierung besonders schlanker Bauformen auch auf den Kolben 18 wirkende Elektromagnet-Anordnungen und auf das Ventilglied 46 wirkende Betätigungseinrichtungen 44 kaskadiert werden.

Im Übrigen sind in der 2 Teile mit vergleichbarer oder identischer Gestalt und/oder Funktion wie in 1 mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal separat beschrieben.

In 3 ist die Funktion des erfindungsgemäßen druckverstärkenden Brennstoff-Einspritzventils graphisch veranschaulicht. Dazu ist auf der Abszisse der vier Graphen der Kurbelwellenwinkel der Verbrennungsmaschine aufgetragen. Die Ordinate des ersten (obersten) Graphen zeigt die von der Elektromagnet-Anordnung 28, 30, 32a, 32b, 32c bei Bestromen der Erregerspule erzeugte Kraft, die auf den Kolben 18 wirkt. Zunächst steigt ab dem Punkt a beim Bestromen der Erregerspule die Kraft sprunghaft von Null auf einen maximalen Wert an. Dadurch presst der Kolben auf den Brennstoff in der Vorkammer und erzeugt einen konstanten Druck in dem Brennstoff (siehe dritter Graph von oben). Da jedoch das Ventilglied 46 von seiner Betätigungseinrichtung noch in seiner geschlossenen Stellung gehalten wird und der Brennstoff inkompressibel ist, verändert sich die Position des Kolbens längs der Mittellängsachse M in der Vorkammer nicht. Nach einer Vorsteuerzeit V wird beim Punkt b das Ventilglied 46 von seiner Betätigungseinrichtung in seine offene Stellung gebracht. Nun wird der Kolben in die Vorkammer hineingezogen und seine Position verändert sich (siehe zweiter Graph von oben). Wenn der Kolben beim Punkt c seine Auslenkung in die Vorkammer hinein ausgeführt hat, ist die Einspritzung des Brennstoffs beendet und das Ventilglied 46 wird von seiner Betätigungseinrichtung in seine geschlossene Stellung zurückgebracht (siehe unterster Graph). Nach einer Nachsteuerzeit n die am Punkt d beendet ist, lässt die Kraft auf den Kolben nach und der Permanentmagnet beginnt, den Anker – und damit den Kolben – in seine obere Stellung zurückzuführen, die er im Punkt e erreicht. Anschließend kann der Zyklus wieder von neuem beginnen. Dies ist anhand des Ablaufs zwischen den Punkten f bis k für eine längere Einspritzung veranschaulicht, bei der der Kolben von der Elektromagnet-Anordnung 28, 30, 32 weiter in die Vorkammer 16 hineingezogen wird. Im Übrigen verläuft der Vorgang jedoch identisch wie zwischen den Punkten a und e.


Anspruch[de]
Ein Brennstoff-Einspritzventil für Brennstoff-Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zur direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit

– einem Brennstoff-Einlass (12), der dazu eingerichtet ist, Brennstoff aus einer Brennstoff-Verteil-Leitung aufzunehmen,

– einer Vorkammer (16), die mit dem Brennstoff-Einlass (12) durch einen Strömungskanal (14) verbunden ist,

– einem Rückschlagventil (22, 24), das ein Austreten von in der Vorkammer (16) befindlichem Brennstoff in Richtung Brennstoff-Einlass (12) verhindert,

– einem in die Vorkammer (16) ragenden verschiebbaren Kolben (18), der dazu vorgesehen ist, das Volumen der Vorkammer (16) zu verändern, wobei

– der Kolben (18) durch eine Elektromagnet-Anordnung (28, 30, 32) im Sinne einer Volumenverringerung zu betätigen ist um den Brennstoff unter hohen Druck zu setzen, und wobei

– ein Stator (28) und ein Anker (30) der Elektromagnet-Anordnung im Innern der Vorkammer (16) angeordnet sind, und mit

– einer Einspritz-Ventilanordnung (40), die ein bewegliches Ventilglied (46) aufweist, das durch eine elektrisch ansteuerbare Betätigungseinrichtung (44) zu bewegen ist, um in einer Offenstellung der Einspritzventilanordnung (40) den in der Vorkammer (16) durch den Kolben (18) unter hohen Druck gesetzten Brennstoff durch einen Brennstoff-Auslass (64) ausströmen zu lassen.
Das Brennstoff-Einspritzventil nach Anspruch 1, wobei

– der Stator (28) einen Brennstoff-Kanal (36) hat, der die Vorkammer (16) mit der Einspritzventil-Anordnung (40) verbindet.
Das Brennstoff Einspritzventil nach Anspruch 1, wobei

– das Rückschlagventil (22, 24) in dem Strömungskanal (14) angeordnet ist.
Das Brennstoff-Einspritzventil nach Anspruch 1, wobei

– das Rückschlagventil (22, 24) in dem verschiebbaren Kolben (18) angeordnet ist.
Das Brennstoff-Einspritzventil nach Anspruch 4, wobei

– das Rückschlagventil (22, 24) in einem in dem verschiebbaren Kolben (18) befindlichen Brennstoff-Durchlass (20) angeordnet ist.
Das Brennstoff-Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei

– die Elektromagnet-Anordnung einen Stator (28) und einen Anker (30) aufweist, wobei der Anker (30) mit dem verschiebbaren Kolben (18) verbunden oder ein Teil davon ist.
Das Brennstoff-Einspritzventil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei

– der Stator (28) als Multipolstator ausgebildet ist, der eine oder mehrere, den jeweiligen Statorpolen zugeordnete Erregerspulen (32a, 32b, 32c) aufweist.
Das Brennstoff Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei

– der Anker (30) als Multipolanker ausgebildet ist, dessen Ankerpole auf die jeweiligen Statorpole (28a, 28b, 28c) ausgerichtet sind.
Das Brennstoff-Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektromagnet-Anordnung zwischen dem Stator (28) und dem Anker (30) einen vorzugsweise quer zur Bewegungsrichtung des Ankers (30) orientierten Arbeitsluftspalt (34) aufweist. Das Brennstoff-Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei

– der Anker (30) wenigstens einen Brennstoffkanal (38) für Brennstoff in Richtung zu der Einspritz-Ventilanordnung (40) hin aufweist.
Das Brennstoff-Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einer von dem Stator (28) abliegenden Seite des Ankers (30) eine Magnetanordnung (42) vorgesehen ist, die den Anker (30) in dessen Ruhestellung zieht und dabei im Sinne einer Volumenvergrößerung der Vorkammer (16) den Kolben (18) aus der Vorkammer (16) hinausdrängt. Das Brennstoff-Einspritzventil nach Anspruch 11, wobei

– die Magnetanordnung (42) Permanent-Magnete aufweist.
Das Brennstoff-Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei

– die Vorkammer (16), die Einspritz-Ventilanordnung (40), der Kolben (17) und die Elektromagnet-Anordnung (28, 30, 32) in einem Gehäuse (10) angeordnet sind.
Das Brennstoff-Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei

– die Betätigungseinrichtung (44) auf das bewegliche Ventilglied (46) der Ventilanordnung (46, 48) einwirkt, um dieses gegenüber einem mit dem Ventilglied (46) zusammenwirkenden und stromabwärts zu dem Brennstoff-Einlass (12) angeordneten ortsfesten Ventilsitz (48) zwischen einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung zu bewegen.
Das Brennstoff-Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei

– mehrere auf die Ventilanordnung (46, 48) wirkende Betätigungseinrichtungen (44), und/oder mehrere auf den Kolben (18) wirkende Elektromagnet-Anordnungen (28, 30, 32) vorgesehen sind.
Brennstoff-Einspritzventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass

– das Brennstoff-Einspritzventil dazu eingerichtet und dimensioniert ist, in den Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zu ragen.
Brenstoff-Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass

– das Brennstoff-Einspritzventil dazu eingerichtet und dimensioniert ist, in den Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine zu ragen.






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