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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus
der
DE 199 51 014
A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen
von Brennkraftmaschinen bekannt, welches eine Magnetspule, eine
mit der Magnetspule in Wirkverbindung stehende und in einer Schließrichtung
von einer Rückstellfeder
beaufschlagte Ventilnadel zur Betätigung eines Ventilschließkörpers, der
zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper ausgebildeten Ventilsitzfläche einen
Dichtsitz bildet, und Abspritzöffnungen
umfasst, die stromabwärts
der Ventilsitzfläche
in dem Ventilsitzkörper
ausgebildet sind. Der wenigstens eine Abspritzöffnung aufweisende Ventilsitzkörper weist
zumindest im Mündungsbereich
der Abspritzöffnung
an seiner stromabwärtigen Stirnfläche eine
Beschichtung auf, die Verkokungen in diesem Bereich verhindert.
Die Beschichtung umgibt dabei den Mündungsbereich der wenigstens
einen Abspritzöffnung
vollständig
und ragt auch teilweise noch in die Abspritzöffnung hinein.
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Nachteilig
an dem aus der oben genannten Druckschrift bekannten Brennstoffeinspritzventil
ist insbesondere, dass dieser beschichtete, dem Brennraum zugewandte
Stirnflächenbereich
des Brennstoffeinspritzventils besonders hohen thermischen Belastungen
ausgesetzt ist und die Qualität
der Beschichtung im Langzeitbetrieb des Einspritzventils nachlässt, wobei
die gewünschte
Antihaftwirkung bezüglich
Verbrennungsrückständen ganz
verloren gehen kann. In der Folge können durch die Ablagerung von
Verkokungsrückständen die
Funktionsfähigkeit des
Brennstoffeinspritzventils stark eingeschränkt und das Emissionsverhalten
verschlechtert sein.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass eine besonders hohe und langlebige Funktionsfähigkeit
des Brennstoffeinspritzventils durch Vermeidung von Belag- bzw.
Ablagerungsbildung am stromabwärtigen
Ende des Brennstoffeinspritzventils gewährleistet ist.
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Die
sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
ergebende deutliche Verringerung der Gefahr von Ablagerungen im
Totvolumen stromabwärts der
Ventilsitzfläche
bietet neben der Reduzierung der Partikel in diesem Volumen den
Vorteil, dass die Toleranzanforderungen an die Maßhaltigkeit
der Ventilnadel, des Ventilsitzelements und des eingeschlossenen
Volumens gegenüber
bekannten Brennstoffeinspritzventilen deutlich gelockert werden
können. Feinbearbeitungsprozesse
der vorgenannten Bauteile können
reduziert werden oder ganz entfallen. Außerdem erhöht sich der Freiheitsgrad zur
Anordnung der Austrittsöffnungen
im Ventilsitzelement in vorteilhafter Weise wesentlich.
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Erfindungsgemäß werden
diese positiven Aspekte dadurch erreicht, dass an wenigstens einer der
das Volumen begrenzenden Stirnflächen
eine Beschichtung als Antihaftschicht zur Vermeidung von Ablagerungen
im Totvolumen im Inneren des Brennstoffeinspritzventils aufgebracht
ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 einen
schematischen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten
Brennstoffeinspritzventils in einer Gesamtansicht, 2 einen
schematischen Schnitt durch den abspritzseitigen Teil eines zweiten
Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils, 3 eine
vergrößerte Darstellung des
Sitz- und Abspritzbereichs als Ausschnitt aus 2, 4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
in einer Darstellung gemäß 3 und 5 ein
viertes Ausführungsbeispiel
in einer Darstellung gemäß 3.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Das
in der 1 beispielsweise als ein Ausführungsbeispiel dargestellte
elektromagnetisch betätigbare
Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen
von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
hat einen von einer Magnetspule 1 zumindest teilweise umgebenen,
als Innenpol eines Magnetkreises dienenden, rohrförmigen, weitgehend
hohlzylindrischen Kern 2. Das Brennstoffeinspritzventil
eignet sich besonders als Hochdruckeinspritzventil zum direkten
Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Ein
beispielsweise gestufter Spulenkörper 3 aus Kunststoff
nimmt eine Bewicklung der Magnetspule 1 auf und ermöglicht in
Verbindung mit dem Kern 2 und einem ringförmigen,
nichtmagnetischen, von der Magnetspule 1 teilweise umgebenen
Zwischenteil 4 mit einem L-förmigen Querschnitt einen besonders
kompakten und kurzen Aufbau des Einspritzventils im Bereich der
Magnetspule 1.
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In
dem Kern 2 ist eine durchgängige Längsöffnung 7 vorgesehen,
die sich entlang einer Ventillängsachse 8 erstreckt.
Der Kern 2 des Magnetkreises dient auch als Brennstoffeinlassstutzen,
wobei die Längsöffnung 7 einen
Brennstoffzufuhrkanal darstellt. Mit dem Kern 2 oberhalb
der Magnetspule 1 fest verbunden ist ein äußeres metallenes
(z. B. ferritisches) Gehäuseteil 14,
das als Außenpol
bzw. äußeres Leitelement
den Magnetkreis schließt
und die Magnetspule 1 zumindest in Umfangsrichtung vollständig umgibt.
In der Längsöffnung 7 des
Kerns 2 ist zulaufseitig ein Brennstofffilter 15 vorgesehen,
der für die
Herausfiltrierung solcher Brennstoffbestandteile sorgt, die aufgrund
ihrer Größe im Einspritzventil
Verstopfungen oder Beschädigungen
verursachen könnten.
Der Brennstofffilter 15 ist z. B. durch Einpressen im Kern 2 fixiert.
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Der
Kern 2 bildet mit dem Gehäuseteil 14 das zulaufseitige
Ende des Brennstoffeinspritzventils, wobei sich das obere Gehäuseteil 14 beispielsweise
in axialer Richtung stromabwärts
gesehen gerade noch über
die Magnetspule 1 hinaus erstreckt. An das obere Gehäuseteil 14 schließt sich
dicht und fest ein unteres rohrförmiges
Gehäuseteil 18 an,
das z. B. ein axial bewegliches Ventilteil bestehend aus einem Anker 19 und
einer stangenförmigen
Ventilnadel 20 bzw. einen lang gestreckten Ventilsitzträger 21 umschließt bzw.
aufnimmt. Die beiden Gehäuseteile 14 und 18 sind
z. B. mit einer umlaufenden Schweißnaht fest miteinander verbunden.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind das untere
Gehäuseteil 18 und
der weitgehend rohrförmige
Ventilsitzträger 21 durch
Verschrauben fest miteinander verbunden; Schweißen, Löten oder Bördeln stellen aber ebenso mögliche Fügeverfahren
dar. Die Abdichtung zwischen dem Gehäuseteil 18 und dem
Ventilsitzträger 21 erfolgt
z. B. mittels eines Dichtrings 22. Der Ventilsitzträger 21 besitzt über seine
gesamte axiale Ausdehnung eine innere Durchgangsöffnung 24, die konzentrisch
zu der Ventillängsachse 8 verläuft.
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Mit
seinem unteren Ende 25, das auch zugleich den stromabwärtigen Abschluss
des gesamten Brennstoffeinspritzventils darstellt, umgibt der Ventilsitzträger 21 ein
in der Durchgangsöffnung 24 eingepasstes
scheibenförmiges
Ventilsitzelement 26 mit einer sich stromabwärts kegelstumpfförmig verjüngenden
Ventilsitzfläche 27.
In der Durchgangsöffnung 24 ist
die z. B. stangenförmige,
einen weitgehend kreisförmigen
Querschnitt aufweisende Ventilnadel 20 angeordnet, die
an ihrem stromabwärtigen Ende
einen Ventilschließabschnitt 28 aufweist.
Dieser beispielsweise kugelig oder teilweise kugelförmig bzw.
abgerundet ausgebildete oder sich keglig verjüngende Ventilschließabschnitt 28 wirkt
in bekannter Weise mit der im Ventilsitzelement 26 vorgesehenen Ventilsitzfläche 27 zusammen.
Das axial bewegliche Ventilteil kann neben der dargestellten Ausführung mit
Anker 19, Ventilnadel 20 und Ventilschließabschnitt 28 auch
völlig
anderweitig als axial beweglicher Ventilschließkörper ausgebildet sein. Stromabwärts der
Ventilsitzfläche 27 ist
im Ventilsitzelement 26 wenigstens eine Austrittsöffnung 32 für den Brennstoff
eingebracht. Idealerweise besitzt das Brennstoffeinspritzventil
als Mehrlochventil zwischen zwei und dreißig Austrittsöffnungen 32.
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Die
Betätigung
des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch.
Ein Piezoaktor als erregbares Betätigungselement ist jedoch ebenso denkbar.
Ebenso ist eine Betätigung über einen
gesteuert druckbelasteten Kolben denkbar. Zur axialen Bewegung der
Ventilnadel 20 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft
einer in der Längsöffnung 7 des
Kerns 2 ange ordneten Rückstellfeder 33 bzw. Schließen des
Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1,
dem Kern 2, den Gehäuseteilen 14 und 18 und
dem Anker 19. Der Anker 19 ist mit dem dem Ventilschließabschnitt 28 abgewandten
Ende der Ventilnadel 20 z. B. durch eine Schweißnaht verbunden
und auf den Kern 2 ausgerichtet. Zur Führung der Ventilnadel 20 während ihrer
Axialbewegung mit dem Anker 19 entlang der Ventillängsachse 8 dient
einerseits eine im Ventilsitzträger 21 am
dem Anker 19 zugewandten Ende vorgesehene Führungsöffnung 34 und
andererseits ein stromaufwärts
des Ventilsitzelements 26 angeordnetes scheibenförmiges Führungselement 35 mit einer
maßgenauen
Führungsöffnung 55.
Der Anker 19 ist während
seiner Axialbewegung von dem Zwischenteil 4 umgeben.
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Zwischen
dem Führungselement 35 und dem
Ventilsitzelement 26 ist z.B. ein weiteres scheibenförmiges Element,
wie ein Drallelement 47 angeordnet, so dass die drei Elemente 35, 47 und 26 unmittelbar
aufeinander liegen und im Ventilsitzträger 21 Aufnahme finden.
Die drei scheibenförmigen
Elemente 35, 47 und 26 sind in vorteilhafter
Weise stoffschlüssig
fest miteinander verbunden.
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Eine
in der Längsöffnung 7 des
Kerns 2 eingeschobene, eingepresste oder eingeschraubte
Einstellhülse 38 dient
zur Einstellung der Federvorspannung der über ein Zentrierstück 39 mit
ihrer stromaufwärtigen
Seite an der Einstellhülse 38 anliegenden Rückstellfeder 33,
die sich mit ihrer gegenüberliegenden
Seite am Anker 19 abstützt.
Im Anker 19 sind ein oder mehrere bohrungsähnliche
Strömungskanäle 40 vorgesehen,
durch die der Brennstoff von der Längsöffnung 7 im Kern 2 aus über stromabwärts der Strömungskanäle 40 ausgebildete
Verbindungskanäle 41 nahe
der Führungsöffnung 34 im
Ventilsitzträger 21 bis
in die Durchgangsöffnung 24 gelangen kann.
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Der
Hub der Ventilnadel 20 wird durch die Einbaulage des Ventilsitzelements 26 vorgegeben. Eine
Endstellung der Ventilnadel 20 ist bei nicht erregter Magnetspule 1 durch
die Anlage des Ventilschließabschnitts 28 an
der Ventilsitzfläche 27 des Ventilsitzelements 26 festgelegt,
während
sich die andere Endstellung der Ventilnadel 20 bei erregter Magnetspule 1 durch
die Anlage des Ankers 19 an der stromabwärtigen Stirnseite
des Kerns 2 ergibt. Die Oberflächen der Bauteile im letztgenannten
Anschlagbereich sind beispielsweise verchromt.
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Die
elektrische Kontaktierung der Magnetspule 1 und damit deren
Erregung erfolgt über
Kontaktelemente 43, die noch außerhalb des Spulenkörpers 3 mit
einer Kunststoffumspritzung 44 versehen sind. Die Kunststoffumspritzung 44 kann
sich auch über
weitere Bauteile (z. B. Gehäuseteile 14 und 18) des
Brennstoffeinspritzventils erstrecken. Aus der Kunststoffumspritzung 44 heraus
verläuft
ein elektrisches Anschlusskabel 45, über das die Bestromung der
Magnetspule 1 erfolgt. Die Kunststoffumspritzung 44 ragt
durch das in diesem Bereich unterbrochene obere Gehäuseteil 14.
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2 zeigt
einen stromabwärtigen
Endbereich eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Brennstoffeinspritzventils. Bei dieser Ausführungsvariante
wird auf ein Drallelement 47 verzichtet; das Ventilsitzelement 26 ist
unmittelbar mit dem Führungselement 35 z.B.
mittels Schweißen
fest verbunden. Außerdem
hat das Ventilsitzelement 26 einen umlaufenden Flansch 48,
der das stromabwärtige Ende 25 des
Ventilsitzträgers 21 untergreift.
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In 3 ist
der Sitz- und Abspritzbereich als Ausschnitt aus 2 nochmals
in geändertem
Maßstab
dargestellt, um die erfindungsgemäßen Maßnahmen besser zu verdeutlichen.
Zwischen der stromabwärtigen
Stirnfläche 52 des
Ventilschließabschnitts 28 der
Ventilnadel 20 stromabwärts
der Ventilsitzfläche 27 und
der inneren Stirnfläche 53 des Ventilsitzelements 26,
an der die Eintrittsebenen der Austrittsöffnungen 32 liegen,
ist ein als Totvolumen bezeichnetes Volumen 30 eingeschlossen,
das Idealerweise möglichst
klein gehalten werden soll. Besonders kleine Abstände zwischen
der Ventilnadel 20 und den Austrittsöffnungen 32 sorgen
dafür,
dass nachteilige Ablagerungen an den das Volumen 30 begrenzenden
Stirnflächen 52, 53 gering
gehalten werden können.
Ein solcher sehr geringer Abstand zwischen Ventilnadel 20 und
Austrittsöffnungen 32 ist in
der Serienfertigung jedoch nur mit sehr hohem Aufwand aufgrund der
sehr engen Toleranzen umsetzbar.
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Erfindungsgemäß weist
das Brennstoffeinspritzventil an wenigstens einer der das Volumen 30 begrenzenden
Stirnflächen 52, 53 eine
Beschichtung 50 als Antihaftschicht zur Vermeidung von
Ablagerungen im Totvolumen auf. Die sich aufgrund der Beschichtung 50 ergebende
deutliche Verringerung der Gefahr von Ablagerungen im Volumen 30 bietet
neben der Reduzierung der Partikel im Volumen 30 den Vorteil,
dass die Toleranzanforderungen an die Maßhaltigkeit der Ventilnadel 20,
des Ventilsitzelements 26 und des eingeschlossenen Volumens 30 gegenüber bekannten
Brennstoffeinspritzventilen deutlich gelockert werden können. Feinbearbeitungsprozesse
der vorgenannten Bauteile können
reduziert werden oder ganz entfallen. Außerdem erhöht sich der Freiheitsgrad zur
Anordnung der Austrittsöffnungen 32 im
Ventilsitzelement 26 in vorteilhafter Weise wesentlich,
da durch die Beschichtung 50 die Gefahr des Zusetzens der
Austrittsöffnungen 32 deutlich
reduziert ist.
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Bei
bekannten Brennstoffeinspritzventilen kann bei hohen Temperaturen
des stromabwärtigen Endes
des Brennstoffeinspritzventils in der Pause zwischen zwei Einspritzungen
eine Ausdampfung des Brennstoffs aus dem Totvolumen erfolgen. In
der Folge kann sich das als Totvolumen bezeichnete Volumen 30 in
der Kompressionsphase mit brennfähigem
Gemisch füllen,
in der anschließenden
Verbrennungsphase schlägt
dann die Flammfront in das Volumen 30 über und hinterlässt in dem
Volumen 30 im Inneren des Brennstoffeinspritzventils Verbrennungsrückstände, die
zu einer unzulässigen
Durchflussminderung bzw. vollständiger
Verstopfung des Brennstoffeinspritzventils führen können.
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Um
dem entgegenzuwirken, ist gemäß 3 die
innere Stirnfläche 53 des
Ventilsitzelements 26, an der die Eintrittsebenen der Austrittsöffnungen 32 liegen,
mit der einen Belag an Verbrennungsrückständen vermeidenden Beschichtung 50 versehen.
Anstelle der beschichteten Stirnfläche 53 des Ventilsitzelements 26 kann
auch eine an dem Ventilsitzelement 26 befestigte (nicht
dargestellte) Spritzlochscheibe vorgesehen sein, deren das Volumen 30 begrenzende
innere Stirnfläche
dann die Beschichtung 50 aufweist. Die Beschichtung 50 ist
derart aufgebaut, dass die Partikel der sich bilden wollenden Beläge eine
stark verringerte Haftkraft aufbauen können. Besonders geeignet sind
deshalb für die
Beschichtung 50 so genannte FAS (Fluoralkylsilikate). Auch
andere Antihaftschichten, z.B. auf dem Prinzip der Nanotechnologie
basierende Schichten können
ebenso eingesetzt werden. Aufgebracht wird die Beschichtung 50 beispielsweise
mittels Spritzlackieren. Die Beschichtung 50 wird z.B.
vor dem Stanzen oder Erodieren der Austrittsöffnungen 32 am Ventilsitzelement 26 und
dem Schleifen der Ventilsitzfläche 27 aufgebracht.
Ein Maskieren dieser Funktionsflächen
am Ventilsitzelement 26 kann bei dieser Bearbeitungsreihenfolge
entfallen.
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In 4 ist
ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem zusätzlich
zur Beschichtung 50 an der inneren Stirnfläche 53 des
Ventilsitzelements 26 auch die Wandungen der Austrittsöffnungen 32 sowie
die äußere, zum
Brennraum ragende Stirnfläche des
Ventilsitzelements 26 mit einer Beschichtung 50' versehen sind.
Die Beschichtung 50, 50' kann dabei derart aufgebracht
werden, dass das Ventilsitzelement 26 nach Abschluss der
mechanischen Bearbeitungsschritte getaucht wird. Bei dieser Vorgehensweise
muss allerdings die Ventilsitzfläche 27 des Ventilsitzelements 26 maskiert
werden. Je nach Art und Qualität
der Beschichtung 50, 50' kann es passieren, dass die Beschichtung 50' an der äußeren Stirnfläche des
Ventilsitzelements 26 durch die hohen thermischen Belastungen
im Dauerbetrieb ihre Antihafteigenschaften teilweise verliert, während im Bereich
des Volumens 30, in dem die Temperaturschwankungen wesentlich
geringer sind, die Antihaftwirkung der Beschichtung 50 über die
lange Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils besteht.
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5 zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel in
einer Darstellung gemäß 3.
Dabei ist die stromabwärtige
Stirnfläche 52 des
Ventilschließabschnitts 28 der
Ventilnadel 20 stromabwärts
der Ventilsitzfläche 27 mit
der Beschichtung 50 versehen. Bei sehr hohen thermischen
Belastungen der Brennstoffeinspritzventile neigen nämlich auch
die Enden der Ventilnadeln 20 zu einer unerwünschten
Belagbildung. In vorteilhafter Weise sind deshalb sämtliche das
Volumen 30 begrenzenden Stirnflächen, also sowohl die innere
Stirnfläche 53 des
Ventilsitzelements 26 als auch die stromabwärtige Stirnfläche 52 des Ventilschließabschnitts 28 der
Ventilnadel 20 stromabwärts
der Ventilsitzfläche 27 mit
der Beschichtung 50 beschichtet.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und
z.B. für
beliebig angeordnete Austrittsöffnungen 32 sowie
für beliebige
Bauweisen von nach innen öffnenden
Mehrloch-Brennstoffeinspritzventilen anwendbar. Insbesondere sind
alle Merkmale der Erfindung beliebig kombinierbar.