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J
DIM360 (Ver 1.5 21 Nov 2005) - 1100000/0
1655483
EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
A1
20060510
EP
05109378.9
20051010
de
de
de
102004053350
20041104
DE
20060510
200619
20060510
200619
F02M 61/18 20060101AFI20051201BHEP
de
Ventil und Düsenvorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff
en
Valve and Injection device to inject fuel
fr
Soupape et moyen d'injection pour injecter de carburant
3
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
00200525
2004P12035EP
Wittelsbacherplatz 2
80333 München
DE
Achleitner, Erwin
Höflinger Ring 19
93083, Obertraubling
DE
Anzinger, Claus
Dresdener Str. 1
93073, Neutraubling
DE
Schürz, Willibald
Lindenweg 3
93188, Pielenhofen
DE
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Ein Ventil zum Einspritzen von Brennstoff hat einen Ventilkörper (4), der eine Ausnehmung (5) aufweist, in der eine Ventilnadel (6) axial bewegbar angeordnet ist. Die Ventilnadel (6) bildet in einem abströmseitigen Bereich mit dem Ventilkörper (4) eine Einspritzdüse (7). Die Ventilnadel (6) unterbindet in einer Schließposition einen Brennstoffstrom durch die Einspritzdüse (7) und gibt diesen ansonsten frei. Die Einspritzdüse (7) weist an einem abströmseitigen Ende ein Ablenkelement (20) auf, das so angeordnet ist, dass ein Brennstoffstrom aus einer stromaufwärts des Ablenkelements (20) vorherrschenden Strömungsrichtung abgelenkt wird.
Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Einspritzen von Brennstoff, das einen Ventilkörper hat, der eine Ausnehmung aufweist, in der eine Ventilnadel axial bewegbar angeordnet ist, die in einem abströmseitigen Bereich mit dem Ventilkörper eine Einspritzdüse bildet. Ferner betrifft die Erfindung eine Düsenvorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff mit einem Düsenkörper, in dem in einem abströmseitigen Bereich eine Einspritzdüse ausgebildet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil und eine Düsenvorrichtung zu schaffen, bei dem bzw. bei der ein Sprühbild des eingespritzten Brennstoffs dauerhaft vor ablagerungsbedingten Veränderungen geschützt ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß eines ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Ventil zum Einspritzen von Brennstoff, das einen Ventilkörper hat, der eine Ausnehmung aufweist, in der eine Ventilnadel axial bewegbar angeordnet ist. Die Ventilnadel bildet in einem abströmseitigen Bereich mit dem Ventilkörper eine Einspritzdüse. Die Ventilnadel unterbindet in einer Schließposition einen Brennstoffstrom durch die Einspritzdüse und gibt diesen ansonsten frei. Die Einspritzdüse weist an einem abströmseitigen Ende ein Ablenkelement auf, das so angeordnet ist, dass ein Brennstoffstrom aus einer stromaufwärts des Ablenkelements vorherrschenden Strömungsrichtung abgelenkt wird. Das Ablenkelement kann an dem Ventilkörper oder an der Ventilnadel ausgebildet sein. Die Einspritzdüse umfasst einen Spalt, der zwischen dem Ventilkörper und der Ventilnadel in dem abströmseitigen Bereich vorgesehen ist. Der Brennstoff kann gasförmig oder flüssig sein.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich an Bereichen eines Ventils, die heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt sind und die nicht von dem Brennstoffstrom mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit angeströmt werden, während des Betriebs Ablagerungen bilden. Diese Ablagerungen, die im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen, können bei hohen Temperaturen durch ein Verkoken von Brennstoffrückständen an der Einspritzdüse oder durch Verbrennungsrückstände aus den Verbrennungsgasen entstehen. Diese Ablagerungen können so weit anwachsen, dass sie sich bis in den Brennstoffstrom erstrecken und so den Brennstoffstrom unerwünscht aus der stromaufwärts vorherrschenden Strömungsrichtung ablenken. Ein Sprühbild des Ventils kann dadurch nachteilig verändert sein.
Der Brennstoffstrom strömt das Ablenkelement mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit an und ermöglicht so, dass gegebenenfalls an dem Ablenkelement abgelagerte Verbrennungsrückstände oder Verkokungskeime aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffstroms von dem Ablenkelement weggespült werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Ablenkelement so angeordnet und ausgebildet ist, wie Ablagerungen, die entstehen würden, wenn das Ablenkelement nicht vorgesehen wäre. Eine durch den Brennstoffstrom auf die Ablagerung ausgeübte Kraft ist dann größer als eine Adhäsionskraft der Ablagerungen. Das Ablenkelement hat dadurch die Funktion einer künstlichen Ablagerung oder Verkokung, die einer künstlichen Alterung des Ventils in Bezug auf Ablagerungen oder Verkokung entspricht.
Das Ablenkelement soll ein Sprühbild des eingespritzten Brennstoffs so verändern, wie Ablagerungen und Verkokung an der Einspritzdüse nach einer längeren Betriebsdauer das Sprühbild verändern. Durch Vorsehen des Ablenkelements und durch Berücksichtigen des Ablenkens des Brennstoffstroms durch eine geeignete Anpassung der Geometrie der Einspritzdüse kann der Brennstoff dauerhaft ohne Veränderung des Sprühbilds durch weitere Ablagerungen eingespritzt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Ventils weitet sich die Ausnehmung in dem abströmseitigen Bereich in der Strömungsrichtung kegelförmig oder kugelförmig hin zu einer ersten Kante. Die Ventilnadel weist an einem abströmseitigen Ende einen sich in der Strömungsrichtung kegelförmig oder kugelförmig hin zu einer zweiten Kante weitenden Schließkörper auf. Der Schließkörper sitzt in der Schließposition in dem abströmseitigen Bereich des Ventilkörpers auf der Wandung der Ausnehmung auf. Ein solches Ventil ermöglicht ein gleichmäßiges, hohlkegelförmiges Sprühbild durch ein nach außen öffnendes Ventil. Dieses Sprühbild ist vorteilhaft für eine gute Verbrennung des Brennstoffs, d.h. eine vollständige und schadstoffarme Verbrennung des Brennstoffs.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die zweite Kante stromabwärts der ersten Kante angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass dies besonders vorteilhaft ist für eine gute Verbrennung des Brennstoffs.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ventils ist das Ablenkelement in einem an die zweite Kante angrenzenden Bereich ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Ventilnadel einfach und preisgünstig herstellbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ventils ist das Ablenkelement einstückig mit der Ventilnadel ausgebildet. Das Ablenkelement ist so besonders haltbar, da die Ventilnadel vorzugsweise aus Stahl gefertigt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ventils ist das Ablenkelement als eine Beschichtung aufgebracht. Dies hat den Vorteil, dass eine solche Beschichtung besonders einfach und preisgünstig herstellbar ist.
Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Düsenvorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff, die einen Düsenkörper aufweist, in dem in einem abströmseitigen Bereich eine Einspritzdüse ausgebildet ist. Die Einspritzdüse weist ein Ablenkelement auf, das so angeordnet ist, dass ein Brennstoffstrom aus einer stromaufwärts des Ablenkelements vorherrschenden Strömungsrichtung abgelenkt wird. Eine solche Düsenvorrichtung weist Vorteile und geeignete Weiterbildungsmöglichkeiten entsprechend dem Ventil auf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
- Figur 1 ein Ventil,
- Figur 2 ein abströmseitiger Bereich des Ventils gemäß Figur 1,
- Figur 3 ein vergrößerter Ausschnitt des abströmseitigen Bereichs des Ventils gemäß Figur 2, und
- Figur 4 eine Düsenvorrichtung.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figuren-übergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt ein Ventil zum Einspritzen von Brennstoff, insbesondere für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen zum Einspritzen von Kraftstoff. Das Ventil hat ein Injektorgehäuse 1, in dem eine Bohrung 2 ausgebildet ist, und einen Anschluss 3, der mit der Bohrung 2 gekoppelt ist und durch den dem Ventil Kraftstoff zugeführt werden kann. Das Ventil umfasst ferner einen Ventilkörper 4 mit einer Ausnehmung 5, in der eine Ventilnadel 6 axial bewegbar angeordnet ist, die in einer Schließposition eine Einspritzdüse 7 verschließt und andernfalls einen Brennstoffstrom durch die Einspritzdüse 7 zulässt. Das Ventil umfasst ferner eine Hubvorrichtung mit einem Aktor 8 und einem Ausgleichselement 9, die in axialer Richtung miteinander gekoppelt sind. Der Aktor 8 ist beispielsweise ein Piezoaktor. Der Hub der Hubvorrichtung ist abhängig von der axialen Ausdehnung des Aktors 8, die abhängig ist von einem Stellsignal. Die Hubvorrichtung ist gekoppelt mit der Ventilnadel 6 und wirkt derart mit der Ventilnadel 6 zusammen, dass der Hub der Hubvorrichtung auf die Ventilnadel 6 übertragen wird und dass die Ventilnadel 6 so in ihre Schließposition oder in eine Offenposition bewegt wird.
Figur 2 zeigt einen abströmseitigen Bereich des Ventils mit einem angedeuteten, hohlkegelförmigen Sprühbild 10. Figur 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des abströmseitigen Bereichs des Ventils gemäß Figur 2. Die Ausnehmung 5 in dem Ventilkörper 4 weitet sich in einem abströmseitigen Bereich des Ventilkörpers 4 kegelförmig hin zu einer ersten Kante 11 und bildet so einen Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4. Der Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4 weist einen Einstellwinkel α auf, der auf eine Längsachse 13 der Ausnehmung 5 bezogen ist.
Die Ventilnadel 6 hat an ihrem abströmseitigen Ende einen Schließkörper 14, der einen ersten Kegel 15 und einen zweiten Kegel 16 aufweist. Ein Einstellwinkel des ersten Kegels 15 ist etwas kleiner als der Einstellwinkel α des Innenkegels 12 des Ventilkörpers 4 und ein Einstellwinkel des zweiten Kegels 16 ist etwas größer als der Einstellwinkel α des Innenkegels 12 des Ventilkörpers 4. Die Einstellwinkel des ersten Kegels 15 und des zweiten Kegels 16 sind ebenso bezogen auf die Längsachse 13 der Ausnehmung 5 wie der Einstellwinkel α.
In der Schließposition des Ventils sitzt der Schließkörper 14 mit einem Übergangsbereich zwischen dem ersten Kegel 15 und dem zweiten Kegel 16 auf dem Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4 auf, der einen Ventilsitz 17 bildet. Der Übergangsbereich zwischen dem ersten Kegel 15 und dem zweiten Kegel 16 kann abgerundet sein oder einen weiteren Kegel aufweisen, dessen Einstellwinkel vorzugsweise etwa gleich dem Einstellwinkel α des Innenkegels 12 des Ventilkörpers 4 ist. Ebenso können der erste Kegel 15 und der zweite Kegel 16 unmittelbar aneinander grenzen. Somit ist sichergestellt, dass auch bei fertigungstechnisch unvermeidlichen Toleranzen bei der Herstellung des Innenkegels 12 des Ventilkörpers 4, des ersten Kegels 15 oder des zweiten Kegels 16 das Ventil in der Schließposition zuverlässig den Brennstoffstrom unterbindet. Aufgrund der unterschiedlichen Einstellwinkel des ersten Kegels 15 und des Einstellwinkels α des Innenkegels 12 des Ventilkörpers 4 ist stromabwärts des Ventilsitzes 17 ein Spalt 18 zwischen dem ersten Kegel 15 und dem Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4 ausgebildet. Der Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4, der erste Kegel 15, der zweite Kegel 16 und der Übergangsbereich bilden die Einspritzdüse 7.
Der erste Kegel 15 erstreckt sich bis zu einer zweiten Kante 19 an einem abströmseitigen Ende der Einspritzdüse 7. In der Schließposition der Ventilnadel 6 hat die zweite Kante 19 vorzugsweise einen größeren Abstand von dem Ventilsitz 17 als die erste Kante 11 des Ventilkörpers 4. Es hat sich gezeigt, dass sich dies vorteilhaft auf das Sprühbild 10 auswirkt und somit eine bessere Verbrennung ermöglicht. Es hat sich jedoch ebenso gezeigt, dass während des Betriebs des Ventils in einem Bereich der zweiten Kante 19 Ablagerungen entstehen, die aufgrund von hohen Temperaturen bei der Verbrennung des Brennstoffs aus Brennstoffrückständen in dem Spalt 18 oder durch Verbrennungsrückstände in den Verbrennungsgasen gebildet werden. Diese Ablagerungen werden auch als Verkokung bezeichnet. Die Verkokung in dem abströmseitigen Ende der Einspritzdüse 7 kann dazu führen, dass der aus der Einspritzdüse 7 strömende Brennstoffstrom von seiner stromaufwärts vorherrschenden Strömungsrichtung abgelenkt wird und so das Sprühbild 10 auf unerwünschte Weise verändert.
An dem abströmseitigen Ende der Einspritzdüse 7 ist ein Ablenkelement 20 vorgesehen, um die unerwünschte Veränderung des Sprühbilds 10 durch Verkokung zu verhindern. Das Ablenkelement 20 lenkt den Brennstoffstrom vorzugsweise ebenso ab, wie die Verkokung, die sich nach einer längeren Betriebsdauer in diesem Bereich bilden würde, wenn das Ablenkelement 20 nicht vorgesehen wäre. Das Ablenkelement 20 entspricht somit einer künstlichen Verkokung oder einer künstlichen Alterung hinsichtlich der Verkokung des Ventils. Durch zusätzliche Anpassung des Ventilkörpers 4 und des Schließkörpers 14 der Ventilnadel 6 kann das Sprühbild 10 wie gewünscht geformt und dauerhaft vor unerwünschten Veränderungen durch Verkokung geschützt sein.
Das Ablenkelement 20 ändert die Strömungsrichtung des Brennstoffstroms von einer ersten Strömungsrichtung 21, die bei einem entsprechenden Ventil ohne das Ablenkelement 20 und ohne Verkokung gegeben wäre, hin zu einer zweiten Strömungsrichtung 22 des Brennstoffstroms. Durch ein Ändern des Einstellwinkels α kann die Strömungsrichtung des Brennstoffstroms entsprechend korrigiert werden, in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Verringern des Einstellwinkels α um einen Winkel, um den der Brennstoffstrom durch das Ablenkelement 20 aus der stromaufwärts des Ablenkelements 20 vorherrschenden Strömungsrichtung abgelenkt ist. Die Einstellwinkel des ersten Kegels 15 und des zweiten Kegels 16 sind entsprechend korrigiert.
Das Ablenkelement 20 ist so angeordnet und ausgebildet, dass Ablagerungen, die sich in dem von dem Brennstoffstrom angeströmten Bereich ablagern, während nachfolgender Einspritzvorgänge von dem Ablenkelement 20 weggespült werden, da das Ablenkelement 20 sich vorzugsweise bis an einen Bereich des Brennstoffstroms erstreckt, in dem eine geeignet hohe Strömungsgeschwindigkeit vorherrscht.
Das Ablenkelement 20 kann einstückig mit der Ventilnadel 6 ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Ablenkelement 20 jedoch als eine Beschichtung 23 ausgebildet, die sich auch auf einen Außenbereich des Ventilkörpers 4 oder der Ventilnadel 6 erstrecken kann. Eine solche Beschichtung kann sehr einfach und preisgünstig hergestellt werden. Die Beschichtung 23 kann beispielsweise als eine Kohlenstoffschicht aufgebracht sein. Ebenso kann die Beschichtung 23 aus anderen geeigneten Materialen hergestellt sein, die insbesondere den hohen Temperaturen während der Verbrennungsvorgänge stand halten. Die Beschichtung 23 kann ebenso nur an dem abströmseitigen Ende der Einspritzdüse 7 aufgebracht sein, um das Ablenkelement 20 zu bilden.
Der Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4 oder der Schließkörper 14 in einem Bereich des ersten Kegels 15, des zweiten Kegels 16 und des Übergangsbereichs können auch kugelförmig ausgebildet sein. Das Ablenkelement 20 kann ebenso an einem abströmseitigen Ende des Innenkegels 12 des Ventilkörpers 4 angeordnet sein.
Figur 4 zeigt eine Düsenvorrichtung mit einem Düsenkörper 24, in dem eine Einspritzdüse 7 ausgebildet ist. An dem abströmseitigen Ende der Einspritzdüse 7 ist das Ablenkelement 20 angeordnet. Das Ablenkelement 20 kann einstückig mit dem Düsenkörper 24 ausgebildet sein oder durch die Beschichtung 23 auf den Düsenkörper 24 aufgebracht sein. Die Düsenvorrichtung kann ebenso mehrstückig ausgebildet sein, sodass die Einspritzdüse 7 durch weitere Bauelemente gebildet ist.
Durch das Ablenkelement 20 an der Einspritzdüse 7 kann erreicht werden, dass sowohl in einem Neuzustand des Ventils oder der Düsenvorrichtung als auch nach einer längeren Betriebsdauer des Ventils oder der Düsenvorrichtung das Sprühbild 10 eine gewünschte, verbrennungsgünstige Form aufweist.
1. Ventil zum Einspritzen von Brennstoff, das einen Ventilkörper (4) hat, der eine Ausnehmung (5) aufweist, in der eine Ventilnadel (6) axial bewegbar angeordnet ist, die in einem abströmseitigen Bereich mit dem Ventilkörper (4) eine Einspritzdüse (7) bildet und die in einer Schließposition einen Brennstoffstrom durch die Einspritzdüse (7) unterbindet und diesen ansonsten freigibt, und die Einspritzdüse (7) an einem abströmseitigen Ende ein Ablenkelement (20) aufweist, das so angeordnet ist, dass ein Brennstoffstrom aus einer stromaufwärts des Ablenkelements (20) vorherrschenden Strömungsrichtung abgelenkt wird.
2. Ventil nach Anspruch 1, bei dem die Ausnehmung (5) sich in dem abströmseitigen Bereich in der Strömungsrichtung kegelförmig oder kugelförmig hin zu einer ersten Kante (11) weitet und die Ventilnadel (6) an einem abströmseitigen Ende einen sich in der Strömungsrichtung kegelförmig oder kugelförmig hin zu einer zweiten Kante (19) weitenden Schließkörper (14) aufweist, und der Schließkörper (14) in der Schließposition in dem abströmseitigen Bereich des Ventilkörpers (4) auf der Wandung der Ausnehmung (5) aufsitzt.
3. Ventil nach Anspruch 2, bei dem die zweite Kante (19) stromabwärts der ersten Kante (11) angeordnet ist.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem das Ablenkelement (20) in einem an die zweite Kante (19) angrenzenden Bereich ausgebildet ist.
5. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Ablenkelement (20) einstückig mit der Ventilnadel (6) ausgebildet ist.
6. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Ablenkelement (20) als eine Beschichtung (23) aufgebracht ist.
7. Düsenvorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff mit einem Düsenkörper (24), in dem in einem abströmseitigen Bereich eine Einspritzdüse (7) ausgebildet ist, die ein Ablenkelement (20) aufweist, das so angeordnet ist, dass ein Brennstoffstrom aus einer stromaufwärts des Ablenkelements (20) vorherrschenden Strömungsrichtung abgelenkt wird.