Stand der Technik
[0001] Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus,
wie es der Gattung des Patentanspruchs 1 entspricht. Derartige Kraftstoffeinspritzventile
sind aus dem Stand der Technik bekannt. So zeigt die DE 196 09 218 A1 ein Kraftstoffeinspritzventil,
das einen Ventilkörper mit einer Bohrung aufweist. Die Bohrung wird an ihrem brennraumseitigen
Ende von einem konischen Ventilsitz begrenzt, von dem mehrere Einspritzkanäle abgehen,
die in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung ist eine Ventilnadel
längsverschiebbar angeordnet, die mit einer ebenfalls konischen Ventildichtfläche
mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und so den Kraftstoffzufluss zu den Einspritzkanälen
steuert. Bei vom Ventilsitz abgehobener Ventilnadel strömt Kraftstoff zwischen der
Ventildichtfläche und dem Ventilsitz hindurch zu den Eintrittsöffnungen der Einspritzkanäle
und wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die Einspritzkanäle
sind hierbei vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Kraftstoffeinspritzventils
verteilt und es herrscht innerhalb der Einspritzkanäle eine gleichmäßige Strömung
des Kraftstoffs. Hierdurch erreicht man eine hohe Eindringtiefe des Kraftstoffstrahls
in den Brennraum, was bei großen Brennräumen und damit großem Hubraum zu einer schnellen
Verteilung des Kraftstoffs führt und damit zu einer guten Verbrennung.
[0002] Eine hohe Eindringtiefe der Kraftstoffstrahlen ist jedoch nicht immer von Vorteil.
Insbesondere bei kleinen Brennkraftmaschinen mit einem geringen Brennraumvolumen wird
ein Kraftstoffstrahl angestrebt, der bereits kurz nach Austritt aus dem Einspritzkanal
des Kraftstoffeinspritzventils stark zersträubt, um eine möglichst homogene Verteilung
des Kraftstoffs im Brennraum zu erreichen. Dies kann beispielsweise dadurch erreichen
werden, dass der Kraftstoffstrom im Einspritzkanal einen Vortex bildet, also einen
Drall oder einen Wirbel um die Längsachse des im wesentlichen zylindrischen Einspritzkanals.
Dies führt unmittelbar nach Austritt des Kraftstoffs aus dem Einspritzkanal zu einer
starken Zersträubung. Solche Einspritzventile sind aus dem Stand der Technik ebenfalls
bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift JP 11-082229 A oder der US 6 065
692. Bei diesen Einspritzventilen wird durch Nuten in der Ventilnadel bzw. durch eingelegte
Strömscheiben ein Vortex erzeugt, womit die oben angegebenen Wirkungen eintreten.
Diese Einspritzventile weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie jeweils nur eine einzelne
Einspritzöffnung aufweisen und konstruktionsbedingt für den Einsatz in modernen direkteinspritzenden
Brennkraftmaschinen nur eingeschränkt geeignet sind.
Vorteile der Erfindung
[0003] Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass wie bei den bekannten
Kraftstoffeinspritzventilen mehrere Einspritzkanäle über den Umfang des Kraftstoffeinspritzventils
verteilt angeordnet sein können und in sämtlichen Einspritzkanälen ein Vortex erzeugt
wird. Hierzu ist der zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz ausgebildete
Ringspalt, durch den der Kraftstoff den Einspritzkanälen zuströmt, nicht über den
gesamten Umfang gleich dick ausgebildet. Der Kraftstoff strömt, abhängig vom Azimutwinkel
bezüglich der Längsachse der Bohrung, mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in die
Einspritzkanäle, so dass sich an der Eintrittsöffnung der Einspritzkanäle ein Geschwindigkeitsgradient
in Umfangsrichtung ausbildet. Dadurch wird der Kraftstoffstrom im Einspritzkanal in
eine Wirbelbewegung versetzt, die zu der oben erwähnten starken Zerstäubung des austretenden
Kraftstoffs im Brennraum führt.
[0004] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Ausgestaltungen
des Gegenstandes der Erfindung möglich.
[0005] In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ventilnadel auf Höhe der Eintrittsöffnungen
der Einspritzkanäle mit einem Querschnitt gestaltet, der einem Dreieck mit konvex
gewölbten Seitenflächen entspricht. Dies ermöglicht in einfacher Art und Weise eine
Zuflusscharakteristik zu den Einspritzkanälen, die zu dem erwünschten Vortex im Einspritzkanal
führt. Ebenso vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Ventilnadel auf Höhe der Eintrittsöffnung
der Einspritzkanäle in Form eines Ovals, was ebenfalls zu den dargestellten Zuströmverhältnissen
führt. Ebenso vorteilhaft ist die Ausgestaltung einer Ventilnadel, die auf Höhe der
Eintrittsöffnungen einen Querschnitt aufweist, der einem Sechseck entspricht, wobei
die Innenwinkel der aneinandergrenzenden Seiten abwechselnd größer und kleiner als
120° sind. Die Eintrittsöffnungen sind hierbei vorzugsweise in einer Radialebene zur
Längsachse der Bohrung angeordnet, so dass in allen Einspritzkanälen dieselben Vortices
erzeugt werden.
[0006] Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die den Eintrittsöffnungen gegenüberliegende Fläche
der Ventilnadel abgeflacht ist, wobei die gedachte Verlängerung der Einspritzkanäle
diese Fläche der Ventilnadel in einem schiefen Winkel schneidet. Dadurch lassen sich
die Einströmbedingungen für jeden Einspritzkanal separat modifizieren. Außerdem lassen
sich so die gewünschten Einströmbedingungen bei einer beliebigen Anzahl von Einspritzkanälen
erreichen.
Zeichnung
[0007] In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt. Es zeigt
- Figur 1
- einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil an dessen
brennraumseitigen Ende,
- Figur 2
- den Querschnitt eines Kraftstoffeinspritzventils, wie es aus dem Stand der Technik
bekannt ist, entlang der Linie A-A der Figur 1,
- Figur 2A
- eine geschnittene Darstellung des Ventilkörpers im Bereich des Ventilsitzes,
- Figur 3
- ebenfalls einen Querschnitt entlang der Linie A-A der Figur 1 eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils,
- Figur 3A
- eine geschnittene Darstellung des Ventilkörpers im Bereich des Ventilsitzes mit dem
Kraftstoffverlauf im Einspritzkanal,
- Figur 4,
- Figur 5 und
- Figur 6
- weitere Ausführungsbeispiele, die denselben Querschnitt wie Figur 3 darstellen, und
- Figur 7
- denselben Querschnitt wie Figur 3, jedoch weist die Ventilnadel hier einen kreisrunden
Querschnitt auf.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[0008] Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
wobei nur das brennraumseitige Ende des ansonsten hinlänglich aus dem Stand der Technik
bekannten Kraftstoffeinspritzventils dargestellt ist. In einem Ventilkörper 1 ist
eine Bohrung 3 ausgebildet, die eine Längsachse 4 aufweist. Die Bohrung 3 wird an
ihrem brennraumseitigen Ende von einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 5 begrenzt,
in dem die Eintrittsöffnungen 107 mehrerer Einspritzkanäle 7 angeordnet sind, die
in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in der Brennkraftmaschine in den Brennraum
derselben münden. In der Bohrung 3 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 10 längsverschiebbar
angeordnet, deren brennraumseitiges Ende mit dem Ventilsitz 5 zusammenwirkt. Die Ventilnadel
10 weist einen zylindrischen Abschnitt 13 auf, an den sich ein konischer Abschnitt
11 anschließt, an welchen wiederum ein zweiter zylindrischer Abschnitt 16 grenzt.
An den zweiten zylindrischen Abschnitt 16 schließt sich eine konische Ventildichtfläche
12 an, mit der die Ventilnadel 10 in ihrer Schließstellung am konischen Ventilsitz
5 anliegt. Das brennraumseitige Ende der Ventilnadel 10 bildet die konische Ventilnadelspitze
15, die von der Ventildichtfläche 12 durch eine Ringnut 14 getrennt ist.
[0009] Zwischen der Ventilnadel 10 und der Wand der Bohrung 3 ist ein Druckraum 8 ausgebildet,
der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann. In Schließstellung der Ventilnadel
10, das ist, wenn die Ventildichtfläche 12 am Ventilsitz 5 anliegt, werden die Einspritzkanäle
7 durch die Ventilnadel 10 vom Druckraum 8 getrennt. In Öffnungsstellung der Ventilnadel
10, also wenn die Ventildichtfläche 12 durch eine Längsbewegung der Ventilnadel 10
vom Ventilsitz 5 abgehoben ist, strömt Kraftstoff aus dem Druckraum 8 zwischen der
Ventildichtfläche 12 und dem Ventilsitz 5 hindurch zu den Eintrittsöffnungen 107 der
Einspritzkanäle 7 und wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
[0010] Figur 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A der Figur 1 eines Kraftstoffeinspritzventils,
wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Ventilnadel 10 weist hier auf Höhe
der Eintrittsöffnungen 107 der Einspritzkanäle 7, von denen hier sechs über den Umfang
des Ventilkörpers 1 verteilt angeordnet sind, eine kreisrunde Form auf. Hierdurch
ergibt sich in Öffnungsstellung der Ventilnadel 10 ein kreisrunder Ringspalt 17 zwischen
der Ventilnadel 10 und dem Ventilsitz 5, durch den der Kraftstoff den Einspritzkanälen
7 zuströmt. Durch die rotationssymmetrische Ausgestaltung des Ringspalts 17, der über
den gesamten Umfang des Ventilkörpers 1 eine konstante Breite D aufweist, ergibt sich
überall die gleiche Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs. Betrachtet man die Geschwindigkeit
des Kraftstoffstroms im Bereich der Eintrittsöffnung 107 eines Einspritzkanals 7,
so ist die tangentiale Geschwindigkeit am linken Rand v
L, wie es in Figur 2 an allen Einspritzkanälen 7 angedeutet ist, gleich groß wie die
tangentiale Geschwindigkeit v
R am rechten Rand der Einspritzkanäle 7. Figur 2A zeigt einen Teil des Ventilkörpers
1 in geschnittener Darstellung im Bereich des Ventilsitzes 5. Exemplarisch geht hier
ein Einspritzkanal 7 ab, der zur Verdeutlichung mit vergrößertem Durchmesser dargestellt
ist. Die tangentialen Einlaufgeschwindigkeiten V
L und V
R des Kraftstoffs sind gleich groß, so dass sich eine gleichmäßige Strömung des Kraftstoffs
im Einspritzkanal 7 und damit die bekannt hohe Eindringtiefe in den Brennraum der
Brennkraftmaschine ergibt.
[0011] Figur 3 zeigt wie Figur 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A der Figur 1 eines
ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils. Die
Ventilnadel 10 weist auf Höhe der Eintrittsöffnungen 107 der Einspritzkanäle 7 eine
Form auf, die einem Sechseck entspricht, wodurch an der Ventilnadel 10 sechs Seitenflächen
20 gebildet werden. Die Innenwinkel der aneinandergrenzenden Seitenflächen 20 ist
abwechselnd kleiner und größer als 120°, so dass die Verlängerung der Einspritzkanäle
7 einen schiefen Winkel mit der jeweils gegenüberliegenden Seitenfläche 20 bildet.
Der Ringspalt 17 variiert somit in seiner Breite über den Umfang des Ventilkörpers
1. Die bisher bekannte Form der Ventilnadel 10 ist durch eine gepunktete Linie angedeutet,
wodurch die nicht überall gleiche Breite D des Ringspalts 17 verdeutlicht wird.
[0012] Betrachtet man einen einzelnen Einspritzkanal 7, so ist der Spalt zwischen der Seitenfläche
20 der Ventilnadel 10 und dem linken Rand der Eintrittsöffnung 107 des Einspritzkanals
7 kleiner als der Spalt zwischen dem rechten Rand der Eintrittsöffnung 107 und der
Seitenfläche 20. Dadurch ergibt sich am rechten Rand ein höherer Strömungswiderstand
des Kraftstoffs im Ringspalt 17 und damit bezüglich des Einspritzkanals 7 eine geringere
tangentiale Geschwindigkeit v
R beim Eintritt des Kraftstoffs. Am linken Rand hingegen ergibt sich durch den geringeren
Strömungswiderstand eine entsprechend höhere tangentiale Geschwindigkeit v
L. Durch diese unterschiedlichen Eintrittsgeschwindigkeiten des Kraftstoffs an beiden
Seiten des Einspritzkanals 7 ergibt sich ein Vortex, der beim Austritt des Kraftstoffs
in den Brennraum der Brennkraftmaschine zu einer starken Zersträubung führt und damit
zu einer geringeren Eindringtiefe. Bei den Einspritzkanälen 7, die neben dem exemplarisch
ausgewählten Einspritzkanal 7 liegen, kehren sich, was die linke und rechte Seite
des Einspritzkanals 7 betrifft, die Geschwindigkeitsverhältnisse um, so dass der Vortex
in diesen Einspritzkanälen 7 eine gegensinnige Rotationsrichtung aufweist. In Figur
3 sind die tangentialen Geschwindigkeiten v
L und v
R in sämtlichen Einspritzkanälen 7 durch Pfeile angedeutet.
[0013] Figur 3A zeigt in der gleichen Darstellung wie Figur 2A die Einströmverhältnisse
an einem Einspritzkanal 7 des in Figur 3 dargestellten Einspritzventils. Die tangentialen
Geschwindigkeitskomponenten v
L und v
R führen im Einspritzkanal 7 zu einem Vortex, der hier von der Eintrittsöffnung 107
aus gesehen im Gegenuhrzeigersinn rotiert.
[0014] Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils,
wiederum als Querschnitt entlang der Linie A-A der Figur 1. Die Ventilnadel 10 weist
hier auf Höhe der Eintrittsöffnungen 107 der Einspritzkanäle 7 eine Dreiecksform auf
mit konvex, also nach außen gewölbten Seitenflächen. Auch hier erhält man ähnliche
Einströmverhältnisse wie bei dem in Figur 3 gezeigten Einspritzventil und ebensolche
Vortices, die bei benachbarten. Einspritzkanälen 7 unterschiedliche Orientierung aufweisen.
Die kleinste Breite des Ringspalts 17 ist in der Figur 3 mit D
1 bezeichnet, die größte mit D
2. Diese Form der Ventilnadel 10 ist auf sechs Einspritzkanäle 7 abgestimmt, die gleichmäßig
über den Umfang des Ventilkörpers 1 verteilt angeordnet sind. Die übliche kreisrunde
Form der Ventilnadel 10 ist durch eine gepunktete Linie angedeutet. Alternativ kann
es auch vorgesehen sein, dass die Ventilnadel 10 einen Querschnitt aufweist, der einem
Dreieck mit konkav, also nach innen gewölbten Seitenflächen entspricht. Auch hier
ergeben sich Einströmbedingungen, die in der oben dargelegten Weise zu einem Vortex
in den Einspritzkanälen 7 führen.
[0015] Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in derselben Darstellung wie Figur
4. Die Ventilnadel 10 weist hier auf Höhe der Eintrittsöffnungen 107 eine Querschnittsform
auf, die einer Kreissägenform ähnelt. Die den Einspritzkanälen 7 gegenüberliegenden
Seitenflächen 20 der Ventilnadel 10 sind bezüglich der gedachten Verlängerung der
Einspritzkanäle 7 schräg angeordnet, wie dies auch bei dem Ausführungsbeispiel der
Figur 3 der Fall ist. Die Einströmverhältnisse sind hier jedoch an jedem Einspritzkanal
7 identisch, so dass auch der sich ausbildende Vortex in allen Einspritzkanälen 7
dieselbe Rotationsrichtung hat.
[0016] Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei hier nur vier Einspritzkanäle
7 über den Umfang des Ventilkörpers 1 verteilt angeordnet sind. Dies bedingt eine
andere Form der Ventilnadel 10, die auf Höhe der Eintrittsöffnungen 107 eine ovale
Form mit angespitzten Enden aufweist. Auch hier ergibt sich durch den sich in Umfangsrichtung
ändernden Ringspalt 17 Einströmbedingungen in die Einspritzkanäle 7, die dort einen
Vortex erzeugen.
[0017] Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils.
Die Ventilnadel 10 ist hierbei im Bereich der Eintrittsöffnungen 107 kreisrund gestaltet,
wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Statt dessen ist die Ventilsitzfläche
5 so modifiziert, so dass sich ähnliche Einströmbedingungen in die Einspritzkanäle
7 ergeben wie bei einer entsprechend geformten Ventilnadel 10. Der Ventilsitz 5 weist
im Querschnitt eine Form auf, die einem Dreieck mit konkav gewölbten Seitenflächen
entspricht, also etwa die Form, die in Figur 4 die Ventilnadel 10 besitzt. Diese Ausgestaltung
hat den Vorteil, dass die Ventilnadel 10 unverändert bleiben kann und aus den bekannten
Kraftstoffeinspritzventilen übernommen werden kann. Auch die anderen Ausgestaltungen
der Ventilnadel 10, die in den Figuren 3, 5 und 6 dargestellt sind, können in analoger
Weise auf die Form den Ventilsitzes 5 übertragen werden bei einer gleichzeitig kreisrund
ausgebildeten Ventilnadel 10 im Bereich der Eintrittsöffnungen 107.
[0018] Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Vortex nicht bei sämtlichen Einspritzkanäle
7 erwünscht ist. Zur besseren Verteilung des Kraftstoffs bei größeren Brennräumen
kann es vorteilhaft sein, beispielsweise nur bei jedem zweiten Einspritzkanal 7 einen
Vortex zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, dass ein Teil der Einspritzkanäle 7 den
Kraftstoff weit in den Brennraum einspritzen, während die Einspritzkanäle mit Vortex
den Kraftstoff stärker zerstäuben, so dass der durch diese Einspritzkanäle eingespritzte
Kraftstoff nur eine geringe Eindringtiefe erreicht. In diesem Fall ist nur bei einem
Teil der Eintrittsöffnungen 107 die Ventilnadel 10 bzw. die Ventildichtfläche 12 so
gestaltet, dass der Abstand der Eintrittsöffnung 107 von der Ventildichtfläche 12
an wenigstens zwei Stellen unterschiedlich ist, was die unterschiedlichen Einströmgeschwindigkeiten
verursacht und damit eine Wirbelbildung. Die Ventildichtfläche 12 ist im Bereich der
übrigen Eintrittsöffnungen 107 so gestaltet, dass die Einströmbedingungen über die
gesamte Eintrittsöffnung 107 gleich sind, wie schon in Figur 2 dargestellt.
1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem
eine eine Längsachse (4) aufweisende Bohrung (3) ausgebildet ist, die an ihrem brennraumseitigen
Ende von einem Ventilsitz (5) begrenzt wird, in dem die Eintrittsöffnung (107) wenigstens
eines Einspritzkanals (7) ausgebildet ist, der in den Brennraum der Brennkraftmaschine
mündet, und mit einer Ventilnadel (10), die in der Bohrung (3) längsverschiebbar angeordnet
ist und die mit einer Ventildichtfläche (12) mit dem Ventilsitz (5) zusammenwirkt
und so den Kraftstoffzufluss zu dem wenigstens einen Einspritzkanal (7) steuert, so
dass bei vom Ventilsitz (5) abgehobener Ventilnadel (10) ein Ringspalt (17) aufgesteuert
wird, durch den Kraftstoff dem wenigstens einen Einspritzkanal (7) zuströmt, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einem Einspritzkanal (7) der Abstand der Eintrittsöffnung (107) zur
Ventildichtfläche (12) an wenigstens zwei Stellen der Eintrittsöffnung (107) unterschiedlich
ist.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (10) auf Höhe der Eintrittsöffnung (107) des wenigstens einen Einspritzkanals
(7) einen Querschnitt aufweist, der einem Dreieck mit konvex gewölbten Seitenfläche
entspricht.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (10) auf Höhe der Eintrittsöffnung (107) des wenigstens einen Einspritzkanals
(7) einen ovalen Querschnitt aufweist.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einspritzkanäle (7) ausgebildet sind, deren Eintrittsöffnungen (107) eine
abgeflachte Seitenfläche (20) der Ventilnadel (10) gegenüberliegt, wobei die gedachte
Verlängerung der Einspritzkanäle (7) die abgeflachte Seitenfläche (20) in einem schiefen
Winkel schneidet.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (10) auf Höhe der Eintrittsöffnung (107) des wenigstens einen Einspritzkanals
(7) einen Querschnitt aufweist, der einem Sechseck entspricht, wobei die Innenwinkel
der aneinandergrenzenden Seitenflächen abwechselnd einen Winkel von weniger als 120°
und mehr als 120° einschließen.
6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (10) auf Höhe der wenigstens einen Eintrittsöffnung (107) einen kreisrunden
Querschnitt aufweist.
7. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einspritzkanäle (7) über den Umfang des Ventilkörpers (1) verteilt angeordnet
sind, wobei die Eintrittsöffnungen (107) der Einspritzkanäle (7) in einer Radialebene
zur Längsachse (4) der Bohrung (3) liegen.