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Dokumentenidentifikation DE102004053350B4 21.06.2007
Titel Ventil zum Einspritzen von Brennstoff
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Achleitner, Erwin, 93083 Obertraubling, DE;
Anzinger, Claus, 80797 München, DE;
Schürz, Willibald, Dr., 93188 Pielenhofen, DE
DE-Anmeldedatum 04.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004053350
Offenlegungstag 18.05.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 21.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2007
IPC-Hauptklasse F02M 61/18(2006.01)A, F, I, 20051216, B, H, DE

Beschreibung[de]

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.

Die DE 103 53 173 A1 offenbart ein Einspritzventil, das einen Ventilkörper mit einer Ventilöffnung aufweist, die zur Bildung einer Abspritzöffnung von einem Ventilsitz umgeben ist. Ferner weist das Einspritzventil eine Ventilnadel auf, die sich durch die Ventilöffnung hindurch erstreckt und die abspritzseitig einen Schließkopf trägt, der mit einer oberhalb einer Abspritzkante liegenden Kopfabspritzfläche mit dem Ventilsitz zur Bildung der Abspritzöffnung zusammenwirkt. Zur Erzeugung von Lücken in dem über die Abspritzöffnung abgespritzten Kraftstoff-Spraykonus sind abspritzseitig der Abspritzöffnung Störelemente vorgesehen, die in die über die offene Abspritzöffnung einsetzende Kraftstoffströmung hineinragen.

Die DE 42 22 137 A1 offenbart eine Kraftstoffeinspritzdüse für Diesel-Brennkraftmaschinen. Die Kraftstoffeinspritzdüse hat einen Düsenkörper mit in den Brennraum mündenden Spritzlöchern. Die Spritzlöcher sind zum Formen von feinen Kraftstoffstrahlen durch eine Beschichtung verengt. Die Beschichtung hat zum Auslass hin eine düsenförmige Gestalt.

Die DE 1 247 066 B offenbart ein Kraftstoffeinspritzventil für fremd gezündete Brennkraftmaschinen. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper mit einem zentralen Kanal auf. In dem Kanal ist ein Ventilglied angeordnet, das in einer Offenstellung abspritzseitig mit dem Ventilkörper eine ringförmige Austrittsöffnung bildet. Das Ventilglied weist abspritzseitig einen divergent konischen Ansatz auf, der den aus der ringförmigen Austrittsöffnung austretenden Flüssigkeitsstrahl ablenkt und seine feine Zerstäubung bewirkt. Dieser konische Ansatz liegt dauernd außerhalb des Ventilkörpers.

Die DE 757 316 C offenbart eine Einspritzdüse mit einer Düsennadel, die abströmseitig ihrer Sitzfläche Leit- und Prallflächen aufweist zum Ausspritzen des Kraftstoffs in Form eines sich kegelig verbreiternden Strahlmantels.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zu schaffen, bei dem ein Sprühbild des eingespritzten Brennstoffs dauerhaft vor ablagerungsbedingten Veränderungen geschützt ist und das einfach und preisgünstig herstellbar ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich 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 ist als eine Beschichtung aufgebracht. 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. Die Beschichtung ist besonders einfach und preisgünstig herstellbar.

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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

1 ein Ventil,

2 ein abströmseitiger Bereich des Ventils gemäß 1,

3 ein vergrößerter Ausschnitt des abströmseitigen Bereichs des Ventils gemäß 2, und

4 eine Düsenvorrichtung.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

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.

2 zeigt einen abströmseitigen Bereich des Ventils mit einem angedeuteten, hohlkegelförmigen Sprühbild 10. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des abströmseitigen Bereichs des Ventils gemäß 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 &agr; 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 &agr; des Innenkegels 12 des Ventilkörpers 4 und ein Einstellwinkel des zweiten Kegels 16 ist etwas größer als der Einstellwinkel &agr; 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 &agr;.

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 &agr; 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 &agr; 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 &agr; kann die Strömungsrichtung des Brennstoffstroms entsprechend korrigiert werden, in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Verringern des Einstellwinkels &agr; 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 ist 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.

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 ist durch die Beschichtung 23 auf den Düsenkörper 24 aufgebracht. 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.


Anspruch[de]
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, wobei 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, und das als eine Beschichtung (23) aufgebracht ist. 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. Ventil nach Anspruch 2, bei dem die zweite Kante (19) stromabwärts der ersten Kante (11) angeordnet ist. Ventil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem das Ablenkelement (20) in einem an die zweite Kante (19) angrenzenden Bereich ausgebildet ist.






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