-
Kraftstoff-Einspritzventil für fremdgezündete Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Einspritzventil für fremdgezündete Brennkraftmaschinen
mit einem durch den Kraftstoffdruck in Strömungsrichtung des Kraftstoffs gegen Federkraft
öffnenden Ventilglied, das endseitig in Bohrungen in einem Ventilkörper axial geführt
und dessen Ventilsitz in Strömungsrichtung vor einer abströmseitigen Führung angeordnet
ist.
-
Die Zuführung des Kraftstoffs zu den Verbrennungsräumen einer Brennkraftmaschine
war bisher vor allem bei Dieselmotoren üblich, führt sich jedoch mehr und mehr auch
bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung ein, da sie eine besonders wirtschaltliche
Ausnutzung des Kraftstoffs ermöglicht. Die An-Z, an die Einspritzeinrichtungen für
Brennkraftmaschinen dieser beiden Typen sind jedoch teilweise unterschiedlich. Zwar
wird in beiden Fällen eine genaue Bemessung der bei jedem Arbeitsspiel einzuspritzenden
Kraftstoffmenge und eine sehr genaue Einstellung des Kraftstoffdrucks verlangt,
bei dem das Einspritzventil sich öffnet, die Unterschiede in der Arbeitstemperatur
und dem Arbeitsdruck in der Brennkammer bringen jedoch in den beiden Fällen auch
unterschiedliche Anforderungen an die Arbeitsweise des Ventils mit sich. So ist
es bei einem Dieselmotor mit seinem hohen Arbeitsdruck und seiner hohen Arbeitstemperatur
am Ende der Hubbewegung des Kolbens am günstigsten, den Kraftstoff in Form eines
Düsenstrahles einzuspritzen, um das Eindringen des Kraftstoffs in das hochkomprimierte
Medium in der Brennkammer zu erleichtern. Bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung
dagegen ist das Kompressionsverhältnis meist relativ gering, dementsprechend ist
es vorteilhafter, zur Erzielung einer homogenen Mischung von Brennstoff und Luft
den Kraftstoff durch das Einspritzventil in möglichst feiner gleichmäßiger Verteilung
einzuführen, d. h. ihn möglichst weitgehend zu zerstäuben.
-
Dementsprechend lassen sich auch Konstruktionsmerkmale von Einspritzventilen
für Dieselmotoren nicht oder nur sehr begrenzt für Einspritzventile für Brennkraftmaschinen
mit Fremdzündung verwenden.
-
Ein typisches Einspritzventil für Dieselir_otoren ist in der deutschen
Patentschrift 835 671 beschrieben. Bei diesem Ventil ist ein Ventilglied im Ventilkörper
mittels zweier an den beiden Enden des Ventilgliedes vorgesehener zylindrischer
Paßflächen geführt, und weiterhin ist eine konische Paßfläche vorgesehen, die zusammen
mit der benachbarten zylindrischen Paßfläche der Abdichtung im Ventilkörper dient.
Der Kraftstoffaustritt erfolgt durch einen axialen Kanal, der das abströmseitige
Führungsende des Ventilgliedes zentral durchsetzt, so daß man - wie für Dieselmotoren
angestrebt - einen konzentrierten Düsenstrahl erhält.
-
Auch in den USA.-Patentschriften 2 210 783 und 2 263 197 sind für
den Einsatz bei Dieselmotoren bestimmte Einspritzventile beschrieben. Bei dem ersten
Ventil sind am Umfang des abströmseitigen Ventilgliedendes Nuten vorgesehen, die
sich über die gesamte axiale Länge dieses Endes erstrecken. Aus diesen Nuten treten
wieder konzentrierte Kraftstoffstrahlen aus, die sich in einem Punkt treffen. Bei
dem zweiten dieser bekannten Ventile werden die Kraftstoffausströmkanäle durch schräge
Abflachungen am Umfang des abströmseitigen Ventilgliedendes begrenzt, es entstehen
dadurch einzelne Düsen, die zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des in
Form von Düsenstrahlen austretenden Kraftstoffes führen. Bei beiden bekannten Ventilen
gelangt der strahlförmig ausgespritzte Kraftstoff von den Austrittsdüsen unmittelbar
in die Brennkammer, ohne daß zuvor eine Zerstäubung erfolgt, so daß diese Ventile
für den Einsatz bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung nicht gut einsetzbar sind.
-
Ein zur Verwendung bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung bestimmtes
Kraftstoffeinspritzventil ist in der USA.-Patentschrift 2 753 217 beschrieben. Bei
diesem Ventil soll eine feine Verteilung des in die Brennkammer eingeführten Kraftstoffs
erreicht werden. Der Kraftstoff strömt zunächst durch Kanäle, die durch Abflachungen
des abströmseitigen Ventilgliedendes begrenzt sind und einen konstanten Durchflußquerschnitt
aufweisen, die endgültige Begrenzung
des Austrittsquerschnitts
wird jedoch durch eine in axialer Verlängerung dieser Abflachungen vorgesehene Konusfläche
bestimmt, die mit der öffnung des Ventilkörpers zusammenwirkt. Die austretende Kraftstoffmenge
hängt also von dem Produkt aus dem Durchmesser der Bohrung in dem Ventilkörper und
der Breite des zwischen Ventilgliedende und Ventilkörper entstehenden Ringspaltes
ab. Da man letzteren Ringspalt nicht beliebig klein machen kann, wenn man zu beherrschbaren
Fertigungstoleranzen für die Herstellung der verschiedenen Paßflächen des Ventilgliedes
kommen will, bleibt zur Erzielung kleiner einzuspritzender Kraftstoffmengen nur
der Weg gangbar, daß man den Bohrungsdurchmesser verkleinert. Auch dies führt jedoch
zu fertigungstechnischen Schwierigkeiten, da man dann zu sehr kleinen Bauteilen
kommt, die mit höchster Genauigkeit hergestellt werden müssen.
-
Ähnliche herstellungstechnische Schwierigkeiten ergeben sich auch
für das in der deutschen Patentschrift 478 898 beschriebene Einspritzventil, das
ebenfalls für Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung bestimmt ist. Der Durchflußquerschnitt
für den Kraftstoff wird durch das Zusammenwirken einer Ringkante am Ventilglied
mit einer Ringkante einer zylindrischen Bohrung des Ventilkörpers bestimmt; der
Durchflußquerschnitt hängt also ebenfalls vom Durchmesser des Ventilgliedes ab,
und man ist zur Erzielung kleiner Durchflußquerschnitte für den Kraftstoff zu einer
unerwünschten Miniaturisierung der Gesamtabmessungen des Ventils gezwungen. Verwendet
man nämlich einen sehr spitzen Kegel, so bekommt man einen sehr engen Ringkanal
größerer Länge als Kraftstoffaustrittskanal, so daß der Kraftstoff den Kanal in
laminarer Strömung verläßt, sich also schlecht zerstäuben läßt. Stellt man den Kegel
mit einem stumpferen Scheitelwinkel her, so leidet die Genauigkeit, mit der sich
der Durchflußquerschnitt bestimmen läßt; geringe Axialverschiebungen des Ventilgliedes
führen dann nämlich bereits zu großen Querschnittsänderungen. Zudem taucht das abströmseitige
Ventilgliedende aus der Führung aus, so daß die Fertigungstoleranzen auch aus diesem
Grund verhältnismäßig eng gewählt werden müssen.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde. ein Kraftstoff-Einspritzventil
für fremdgezündete Brennkraftmaschinen anzugeben, dessen Herstellung nicht mit der
Einhaltung unbequemer Fertigungstoleranzen verbunden ist, das aber dennoch eine
äußerst feine Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs zu erzielen gestattet.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das abströmseitige
Ende des Ventilgliedes in an sich bekannter Weise an seinem Umfang gleichmäßig verteilte
und sich in axialer Richtung nur über seinen zuströmseitigen Bereich erstrechende
Abflachungen aufweist und daß der abströmseitige Abschnitt der das Ventilgliedende
aufnehmenden Bohrung des Ventilkörpers in an sich bekannter Weise entlang einer
Ringkante zu einer Bohrung größeren Durchmessers erweitert ist, deren zylindrische
Innenfläche zusammen mit einer gleichfalls zylindrischen Außenfläche des Ventilgliedendes
einen ringförmigen Spritzspalt bildet, wobei der durch die Ringkante begrenzte Bohrungsabschnitt
größeren Durchmessers und die Abflachungen derart zusammenwirken, daß der für den
Kraftstoffzufluß zu dem Ringspalt verfügbare Durchflußquerschnitt je nach dem Hub
des Ventilgliedes verschieden groß und bei auf dem Ventilsitz aufliegendem Ventilglied
abgesperrt ist.
-
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Einspritzventils hat den Vorteil,
daß sie den Rahmen einer üblichen Präzisionsfeinmechanik nicht überschreitet; sie
ist auch nicht kostspielig, da die Einzelheiten der Fertigungstoleranzen derart
sind, daß sich die Bearbeitung aller Teile ohne Schwierigkeiten durchführen läßt.
Durch den Ringspalt wird der Kraftstoff sehr fein zerstäubt. Trotz des Ringspaltes
bleibt aber das abströmseitige Ventilgliedende bei allen Hubstellungen in seiner
Führung, was sich auf die genannten Herstellungserleichterungen entscheidend auswirkt.
-
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand der
Zeichnung ein Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Dabei zeigt in der Zeichnung
F i g. 1 einen schematischen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgeführtes
Einspritzventil in geschlossenem Zustand, F i g. 2 einen Querschnitt längs der Schnittlinie
A-A der F i g. 1, F i g. 3 eine vergrößert dargestellte Seitenansicht der aus dem
Einspritzventil gemäß F i g. 1 ausgebauten Ventilnadel, F i g. 4 eine vergrößert
dargestellte Seitenansicht des Abschlußgliedes der Ventilnadel in der Abschlußstellung,
F i g. 5 das Abschlußglied der Ventilnadel gemäß F i g. 4 in der Öffnungsstellung,
F i g. 6 einen Querschnitt durch das Abschlußglied längs der Schnittlinie B-B der
F i g. 3 in stark vergrößerter Darstellung, F i g. 7 einen Schnitt durch die am
oberen Ende der Ventilnadel sitzende Druckscheibe, F i g. 8 eine Aufsicht auf die
Scheibe gemäß Fig.7.
-
Bei dem Einspritzventil gemäß der Erfindung ist der Ventilkörper 1
mit einem zentralen, mehrfach abgesetzten Kanal versehen, der für die Zufuhr des
Kraftstoffes unter Überdruck bestimmt ist. Der Ventilkörper ist in eine Haltehülse
3 eingeschoben und in dieser durch einen Anschlußstutzen 4 festgelegt, welcher in
ein Innengewinde 5 der Haltehülse 3 eingeschraubt ist und den üblichen Anschluß
6 zur.Verbindung des Einspritzventils mit der Einspritzpumpe enthält.
-
Der Ventilkörper 1 enthält zwei koaxiale zylindrische Kammern 7 und
8, die miteinander durch einen engeren Kanal 9 verbunden sind, der ebenfalls koaxial
zu den Kammern liegt und durch den der Schaft des Ventilgliedes 10 hindurchragt.
-
Die am unteren Ende des Einspritzventils befindliche Kammer 7 enthält
einerseits eine konische Sitzfläche 11, auf die sich das Abschlußglied 12, das sich
am unteren Teil des Ventilgliedes 10 befindet, aufsetzt, und eine zylindrische
Führung 13, in der ein Kolbenschieberteil 14 des Abschlußgliedes 12 geführt
ist und die in ihrem unteren Abschnitt 15 auf einen nur etwas größeren Durchmesser
derart ausgedreht ist, daß in Verbindung mit dem entsprechenden Profil des unteren
Abschnittes des Ventilgliedes eine ringförmige Kraftstoff-Austrittsöffnung 16 gebildet
wird.
-
Die Kammer 8 dient zur Unterbringung einer Feder 17, die sich auf
den Boden der Kammer abstützt
und die axiale Führung des Ventilgliedes
10 mittels einer Führungsbuchse 25 gestattet, weiche in dem oberen zylindrischen
Teil der Kammer 8 mit Gleitpassung axial geführt ist.
-
Das Ventilglied 10, dessen größter Durchmesser im Schaftteil - abgesehen
von dem Abschlußglied 12 - kleiner sein muß als der des Kanals 9, um es in den Ventilkörper
einsetzen zu können. ist einerseits dem Druck des mittels des Ventils einzuspritzenden
flüssigen Kraftstoffes und andererseits der Kraft oder Spannung der Schließfeder
17 unterworfen.
-
Wenn man die F i g. 4 und S betrachtet, so erkennt man, daß das Abschlußglied
12 eine kegelige Schulter 18 aufweist, die sich dichtend auf die Ventilsitzfläche
11 auflegen kann, . und einen zylindrischen Kolbenschiebertei114 aufweist, dessen
Durchmesser nur sehr wenig kleiner ist als der Innendurchmesser der zylindrischen
Bohrung 13 der Kammer 7, um zwischen der Innenfläche der Bohrung und der äußeren
Mantelfläche des Kolbenschieberteiles eine ausreichende Abdichtung zu erhalten.
-
Die Bearbeitung der konischen Sitz- bzw. Abschlußgliedfläche sowie
der zylindrischen Fültiungs-und Dichtungsflächen muß mit sehr hoher Genauigkeit
erfolgen, um eine einwandfreie Passung und Abdichtung zu erzielen.
-
Der Kolbenschieberteil 14, der von der Zylinderfläche 13 geführt wird,
hat axial begrenzte seitliche Anflachungen 19, die gleichmäßig über seinen Umfang
verteilt sind und zwischen dem Ventilglied und dem Ventilkörper mehrere schmale
Durchlässe 20 ergeben, durch welche der Kraftstoff hindurchfließen kann. Diese Anflachungen
sind nur in dem oberen Abschnitt des Kolbenschieberieiles 14 derart vorgesehen,
daß sie in der Schließstellung des Einspritzventils nicht in die Ausströmöffnung
16 münden. Ihre Anzahl und die Anflachungstiefe sind in der Weise bestimmt, daß
man von dem Durchflußquerschnitt ausgeht, den man erhalten will. Dieser Durchflußquerschnitt
entspricht ungefähr dem Querschnitt der Ausströmöfinung und hängt einerseits von
dem kleinsten einzuspritzenden Flüssigkeitsvolumen derart ab. daß dabei eine ausreichende
Geschwindigkeit der Spritzstrahlen erzielt wird, und andererseits von dem größten
auszuspritzenden Flüssigkeitsvolumen, bei dem der notwendige Ausspritzdruck keine
zu hohe Druckwerte erreichen soll. Der durch diese Anflachungen bestimmte Durchflußquerschnitt
hat den Vorteil, daß er während der gesamten Dauer des Einspritzvorganges konstant
bleibt.
-
Der Kolbenschieberteil 14 geht an seinem unieren Ende in eine Einschnürung
21 über, an die sich ein divergent konischer Ansatz 22 anschließt, der den aus der
ringförmigen Austrittsöffnung 16 austretenden Flüssigkeitsstrahl ablenkt und seine
feine Zerstäubung bewirkt. Dieser konische Ansatz 22 liegt dauernd außerhalb des
Ventilkörpers 1.
-
Wenn das Ventilglied geschlossen ist, wirkt der Druck des flüssigen
Kraftstoffes auf den Kreisquerschnitt des Ventilgliedes in der Höhe der Austrittsöffnung
des Kanals 9 (Durchmesser d1). Wenn die Kraft, die der Druck des Kraftstoffes ausübt,
die
Gegenkraft der Feder 17 übersteigt, hebt sich die konische Fläche
18 von der Sitzfläche 11 ab und der Flüssigkeitsdruck wirkt dann sofort auf den
Querschnitt des Kolbenschieberteiles 14, dessen Durchmesser d2 ist. Da der Durchmesser
d2 deutlich größer ist als der Durchmesser d 1, wird die durch den K raftsiofidruck
auf das Ventilglied 10 ausgeübte Kraft erhöht und die öffnungsbewegung ganz
beträchtlich beschleunigt, bis das Ventilglied eine durch einen Anschlag begrenzte
Endstellung einnimmt. Der Anschlag und seine Wirkungsweise werden später erläutert.
In diesem Augenblick werden die durch die Anflachungen 19 und den unteren Teil des
Ventilkörpers 1 begrenzten Durchlässe 20 nach außen geöffnet und der Kraftstoff
mit hohem Druck in die ringförmige Austrittsöffnung 16 gepreßt, bei deren Verlassen
er fein zerstäubt wird. Der Druck des flüssigen Kraftstoffes nimmt sodann ab, bis
er der Schließkraft nicht mehr das Gleichgewicht hält. Dann wird die Einspritzung
beendet. Die Feder 11 drückt das Ventilglied 10 auf den Ventilsitz 11 zurück, während
die Durchlässe 20 erneut abgeschlossen werden. Das Einspritzventil ist dann wieder
für einen neuen Einspritzvorgang bereit.
-
Das Ventilglied 10 (vgl. F i g. 3) besteht auf dem größten Teil seiner
Länge aus einem Schaft 23, dessen Durchmesser relativ klein ist, um das Gewicht
klein zu halten und das Durchfließen des Kraftstoffes an seinem Umfang zu gestatten.
Dieser Schaft 23 geht in seinem oberen Teil in einen zylindrischen Führungsabschnitt
24 von etwas größerem Durchmesser über, auf den mit einem sehr kleinen Spiel eine
zylindrische Führungsbuchse 25 aufgeschoben ist, die als zylindrische Führung des
Ventilgliedes 10 dient und sich unter der Wirkung der Feder 17 auf eine Scheibe
26 abstützt, die ihrerseits auf einem ausgedrehten, ringnutenartigen Abschnitt 33
des Ventilgliedes festgelegt ist. Die Führungsbuchse 25 weist an ihrem oberen Ende
einen Flanschkragen 27 auf, dessen Flansch sich am Ende des öffnungshubes der Nadel
auf die obere Stirnfläche des Ventilkörpers 1 auflegt, damit die axiale Verschiebung
des Abschlußgliedes 12 begrenzt und ein vollständiges Heraustreten des Kolbenschieberteiles
14 aus der zylindrischen Führung 13 in die ringförmige Austrittsöffnung 16 verhindert.
An den Flanschkragen 27 schließt sich nach unten ein einen kleineren Durchmesser
als der Kragen 27 aufweisender zylindrischer T eil 28 der Buchse 25 an, der verschiebbar
in der zylindrischen Bohrung 29 der Kammer 8 geführt ist und aus der F i g. 2 ersichtliche
Längsanflachungen 30 aufweist, die den direkten Durchtritt des Kraftstoffes in die
Kammer 8 gestatten.
-
Bei der soeben beschriebenen räumlichen Ausbildung des Einspritzventils,
bei der die Dichtungs- und Führungspaßflächen nur geringe axiale Länge haben und
an den bei den Enden des Ventilgliedes 10 liegen, kann man gewisse Abweichungen
von der genau axialer. Lage dieser Flächen zulassen, die in den Grenzen der Spieltoleranzen
liegen. Auf diese Weise wird ein unerwünschtes Klemmen während der Verschiebung
des Ventilgliedes vermieden; dennoch kann sich der kon_sche Teil des Abschlußgliedes
sehr genau auf den Ventilsitz auflegen und einwandfrei abdic'lten.
-
Die Längsanflachungen 30 des zylindrischen Abschnittes 24 stehen an
ihrem oberen Ende mit einer umlaufenden Ringnut 31 der Buchse 25 in Verbindung,
die unterhalb des Flanschkragens 27 in die Buchse 25 eingearbeitet ist und als Aufnahmeraum
für den Kraftstoff dient, der durch in die obere Stirnfläche des Ventilkörpers 1
eingearbeitete radiale Rinnen 38 zufließt, die den freien Durchfluß des Kraftstoffes
auch
gestatten, wenn der Kragenflansch 27 auf den Ventilkörper 1 aufliegt.
-
An dem oberen Teil der Ventilnadel hat diese dicht unterhalb ihres
Nadelkopfes 32 einen notartig ausgedrehten Abschnitt 33, an dem die obenerwähnte
Druckscheibe 26 festgelegt wird, die die Druckkraft der Schließfeder 27 auf das
obere Ende des Ventilgliedes überträgt. Eine besonders zweckmäßige Ausbildungsform
dieser Scheibe besteht - wie in den F i g. 7 und 8 dargestellt - aus einem flachen
Metallring 34, dessen zentrale Bohrung 35 durch einen Radialschlitz geöffnet ist,
der mit einer dem Durchmesser der Bohrung entsprechenden Breite von dieser Bohrung
ausgeht und sich bis zum Rand des Ringes erstreckt.
-
Die Dicke dieser Ringscheibe 34 ist derart bestimmt, daß beim Aufsetzen
des konischen Abschlußgliedes auf dem Ventilsitz und der Abstützung der Führungsbuchse
25 auf den Ventilkörper 1 über den Kragenflansch 27 diese Scheibe von der Seite
her genau unter den Kopf 32 des Ventilgliedes geschoben werden kann.
-
Eine obere Ausnehmung 37 der Scheibe hat eine Tiefe, welche dem Ventilhub
bei eingesetzter Scheibe entspricht; durch die Wahl der Tiefe dieser Ausnehmung
kann man also den Öffnungshub des Ventilgliedes sehr genau festlegen.
-
Die Spannung der Schließfeder 17 läßt sich durch Unterlegscheiben
verändern, die vor dem Einsetzen der Feder auf die Bodenschulter der zylindrischen
Kammer 8 aufgelegt werden.
-
Die Spannung der Feder 17 muß vor allem genügend groß sein, um das
Abschlußglied des Ventils gegen den normalerweise vor und in dem Einlaßteil des
Ventils herrschenden Druck des Kraftstoffes, der auf der Höhe der Ventilsitzöffnung
im Öffnungssinne wirkt, dichtend auf seinem Sitz festzuhalten, solange dieser Druck
kleiner als ein bestimmter, für eine gute Zerstäubungseinspritzung ausreichender
Druck ist. Nur wenn der Druck des Kraftstoffes diesen »Öffnungsdruck« übersteigt,
wird die Ventilnadel sehr schnell oder plötzlich in die Öffnungsstellung bewegt,
und der Einspritzvorgang beginnt.