CZ20021157A3

CZ20021157A3 - Vstřikovací ventil paliva

Info

Publication number: CZ20021157A3
Application number: CZ20021157A
Authority: CZ
Inventors: Martin Maier; Joerg Heyse
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2003-09-17
Also published as: US20030052201A1; US6786433B2; KR20020037057A; WO2002012719A2; DE10038098A1; JP2004506137A; DE50108564D1; EP1307650A2; CN1386169A; EP1307650B1; CN1237268C; WO2002012719A3

Description

Vstřikovací ventil paliva

Oblast techniky

Vynález se týká vstřikovacího ventilu paliva, zejména vstřikovacího ventilu paliva vyčnívajícího přímo do spalovacího prostoru spalovacího motoru, s buditelným ovladačem, s uzavíracím -tělesem ventilu ovládaným ovladačem, s pevným sedlem ye.ntilu spolupůsobícím k otevírání a zavírání ventilu s uzavíracím tělesem ventilu, s výstupem paliva vytvořeným ve vstřikovací oblasti, která je tvořena alespoň jedním výstupním otvorem uspořádaným za sedlem ventilu, a s mrtvým prostorem vytvořeným za sedlem ventilu a před vstřikovací oblastí tvořenou alespoň jedním výstupním otvorem.

Dosavadní stav techniky

V provozu motorů vzniká všeobecně při přímém vstřikování paliva_ do spalovacího prostoru spalovacího motoru, zejména při přímém vstřikování benzínu, popřípadě vstřikování paliva pro Dieselový motory, problém, že se na špičce vstřikovacího ventilu vyčnívající do spalovacího prostoru a odvrácené od proudění tvoří z usazenin paliva karbon, popřípadě se na špičce ventilu usazují částice sazí vytvořené ve frontě plamene. U dosud známých vstřikovacích ventilů vyčnívajících do spalovacího prostoru je proto během jejich životnosti nebezpečí negativního ovlivňování parametrů rozstřikování (například statické průtočné množství, úhel paprsku, velikost kapiček, tvar a rozměry paprsku), které může vést k poruchám chodu spalovacího motoru, popřípadě až k výpadku vstřikovacího ventilu.

• · ti · titi titititi ·♦ titi • titi ti · · · ti ti ti·· titi ti • · · ti ti ti ti • ti ti ti ti ti ·· ··ti titi ····

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje vstřikovací ventil paliva, zejména vstřikovací ventil paliva vyčnívající přímo do spalovacího prostoru spalovacího motoru, s buditelným ovladačem, s uzavíracím tělesem ventilu ovládaným ovladačem, s pevným sedlem ventilu spolupůsobícím k otevírání a zavírání ventilu s uzavíracím tělesem ventilu, s výstupem paliva vytvořeným ve vstřikovací oblasti, která je tvořena alespoň jedním výstupním otvorem uspořádaným za sedlem ventilu, a s mrtvým prostorem vytvořeným za sedlem ventilu a před vstřiko-vací oblastí tvořenou alespoň jedním výstupním otvorem, podle vynálezu, jehož podstatou je, že povrch alespoň jedné součásti ohraničující mrtvý objem má povrchovou strukturu s přímým přístupem k mrtvému objemu, u níž jsou alespoň některé póry k akumulaci plynu spalovacího prostoru provedeny s hloubkou drsnosti nejméně 25 μτη.

Vstřikovací ventil paliva podle vynálezu má výhodu, že jsou jmenované negativní jevy tvorby karbonu (usazování sazí), zejména na špičce ventilu s jejími výstupními otvory vyčnívajícími do spalovacího prostoru, omezeny, popřípadě odstraněny. Vytvořením povrchové struktury k akumulování plynu spalovacího prostoru s přístupem k mrtvému prostoru, ležícímu mezi koncem jehly ventilu a vstřikovací oblastí obsahující výstupní otvory, se mohou usazeniny karbonu ve výstupních otvorech prakticky vyloučit. Vztlakem plynné fáze vůči kapalné fázi setrvává plyn v pórech drsné povrchové struktury k akumulování plynu prostoru spalování.

Tímto způsobem se mohou stabilně zachovávat funkce ventilu a parametry rozstřikování také u vstřikovacích ventilů paliva pro přímé vstřikování paliva do spalovacího prostoru po celou dobu jejich dlouhé životnosti.

· • 4

444 • · ·· 4 • » · • · 4 • 4444 • 4 *

Opatřeními navozenými ve vedlejších nárocích jsou možná další výhodná provedení a zlepšení vstřikovacího ventilu paliva uvedeného v hlavním nároku.

Výhodné je, vytvořit na konci jehly ventilu přivráceném k výstupním otvorům, popřípadě na uzavíracím tělesu ventilu na jeho povrchu přivráceném k mrtvému objemu, pórovitou povrchovou strukturu. Povrchovou strukturu lze výhodně vyrobit prostřednictvím zdrsnění (svislým erodováním, naleptáváním, broušením hrubou zrnitostí, vytvořením rýh, nebo drážek soustružením apod.) 'nebo slinováním odpovídající součásti.

Dále je výhodné, že póry drsného povrchu akumulující plyn slouží také jako zárodky tvorby plynu, takže při poklesu tlaku páry se v pórech mohou tvořit bubliny par paliva.

Přehled obrázků na výkresech

Příklad provedení vynálezu je zjednodušeně znázorněn na výkresech a je blíže vysvětlen v následujícím popisu. Na výkresech znázorňuje obr. 1 část vstřikovacího ventilu paliva a obr. 2 schematický řez výstupními otvory se sloupcem kapaliny, který se v nich nachází a odtrhává.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je jako příklad provedení znázorněna část ventilu ve formě vstřikovacího ventilu pro vstřikovací zařízení paliva zážehových motorů se stlačováním palivové směsi. Vstřikovací ventil má nosič £ sedla ventilu ve tvaru trubky, ve kterém je vytvořen soustředně k podélné ose 2. ventilu podélný otvor 3_. V podélném •i »· · 9 * ·♦· · otvoru 3. je uspořádána například trubkovitá jehla 5. ventilu, která je na svém výstupním konci 6_ pevně spojena s například kulovitým uzavíracím tělesem 7. ventilu, jehož obvod má například pět zploštění

8. k úpravě proudění paliva.

Ovládání vstřikovacího ventilu se děje známým způsobem například elektromagneticky. K axiálnímu pohybu jehly 5_ ventilu a tím k otevírání proti síle neznázorněné zpětné pružiny, popřípadě k zavírání vstřikovacího ventilu, slouží schematicky naznačený elektromagnetický obvod s magnetickou cívkou 10, kotvou 11 a -jádrem-12. Kotva 11 je spojena s koncem jehly 5_ ventilu, odvráceným od uzavíracího tělesa 2 ventilu, například prostřednictvím laserem vytvořeného svaru, a je vyrovnána na jádro 12.

K vedení uzavíracího tělesa 7_ ventilu během jeho axiálního pohybu slouží vodicí otvor 15 tělesa 16 sedla ventilu, které je těsnicím svarem montováno do výstupního konce nosiče 1_ sedla ventilu, odvráceného od jádra 12, do podélného otvoru 3_, probíhajícího soustředně s podélnou osou 2 ventilu. Těleso 16 sedla ventilu je provedeno například ve tvaru kalíšku, přičemž část 17 pláště_tělesa 16 sedla ventilu přechází ve směru ke kotvě 11 do límce 18 přiléhajícího na nosič £ sedla ventilu. Těleso 16 sedla ventilu má na straně protilehlé límci 18, část 19 dna, které je například konvexně klenuté.

Hloubka vsunutí tělesa 16 ventilu určuje velikost zdvihu jehly 5_ ventilu, protože koncová poloha jehly 5. ventilu při nebuzené magnetické cívce 10 je určena dosednutím uzavíracího tělesa 7. ventilu na směrem k výstupu kuželově se zužující, popřípadě nepatrně klenutě vytvořenou, plochu 22 sedla ventilu na části 19 dna tělesa 16 sedla ventilu. Druhá koncová poloha jehly 5_ ventilu při buzené magnetické cívce 10 je určena například dosednutím kotvy 11 φ φφφφ · φ φ φ φ φ φ φ φ φ ΦΦ φφφφ φφφφ φ ΦΦ φφφ ΦΦ φφφφ na jádro 12. Dráha mezi těmito oběma koncovými polohami jehly 5. ventilu tím představuje zdvih. Kulové uzavírací těleso 7. ventilu spolupůsobí s plochou 22 sedla ventilu tvaru komolého kuželu, popřípadě klenutého tvaru, tělesa 16 sedla ventilu, která je vytvořena mezi vodicím otvorem 15 a několika výstupními otvory 23, vytvořenými v centrální oblasti části 19 dna tělesa 16 sedla ventilu.

Část 19 dna tvoří vstřikovou oblast vstřikovacího ventilu paliva.

Vstřikovací ventil paliva je proveden zejména jako takzvaný víceotvorový ventil, který je vhodný zejména k přímému vstřikování paliva ~do neznázorněného spalovacího prostoru. Přitom jsou *v části 19 dna tělesa 16 sedla ventilu vytvořeny alespoň dva, ale také čtyři nebo ještě zřetelně více výstupních otvorů 23 například erodováním, laserovým vrtáním nebo děrováním. Pro žádoucí vyplnění spalovacího prostoru palivem svírají například osy výstupních otvorů 23 s podélnou osou 2 ventilu rozdílné úhly, přičemž se například ve směru proudění všechny výstupní otvory 23 vzdalují od podélné osy 2. ventilu.

K tvorbě karbonu jsou silně náchylné zejména víceotvorové ventily pro přímé vstřikování paliva do spalovacího prostoru, jejichž výstupní otvory jsou přímo ve styku s atmosférou spalovacího prostoru. V nepříznivém případě se mohou takové výstupní otvory na svém obvodu zmenšovat usazeninami karbonu tak, že již nelze v přijatelné míře dávkovat a odměřovat požadované vstřikované množství.

Vstřikovacím ventilem paliva podle vynálezu se má v oblasti výstupních otvorů 23 ve značné míře zamezit narůstání karbonových usazenin spalovacího prostoru a tím i značným změnám vstřikovaných množství během životnosti ventilu.

• to'· to -X toto toi to to

Protože jsou uzavírací těleso 7. ventilu a klenutá část 19 dna tělesa 16 sedla ventilu tvarovány s různými poloměry, existuje při zavřeném vstřikovacím ventilu paliva uvnitř prstencově obvodové plochy 22 sedla ventilu, v oblasti vstřikovacích otvorů 23 mezi uzavíracím tělesem 7_ ventilu a částí 19 dna, uzavřený meziprostor, který představuje mrtvý objem 25. K zamezení karbonových usazenin na výstupních otvorech 23 se má podle vynálezu dít v mrtvém objemu 25 akumulace plynu. Dříve než bude popsán tento funkční princip akumulace plynu, je třeba v následujícím krátce objasnit vznik karbonových usazenin.

Podle obr. 2, který schematicky znázorňuje výstupní otvor 23, se následně vysvětlí průtočné pochody a tvorba karbonu. Když se uzavírací těleso 7 ventilu na konci procesu vstřikování tlačí zpět na plochu 22 sedla ventilu, průtok výstupními otvory 23 se náhle zastaví. Oblastí těsnicího sedla na ploše 22 sedla ventilu již tedy do mrtvého objemu 25 neprotéká palivo.

Sloupec 27 kapaliny, který bezprostředně před zavřením ventilu ještě vytéká z výstupních otvorů 23, má na základě své hmoty jistou~setrvačnost. V důsledku setrvačnosti se podtlak ve sloupci 27 kapaliny uvnitř výstupního otvoru 23, vznikající v důsledku zavírání ventilu a s tím spojeného zastavení průtoku v oblasti těsnicího sedla, od výstupní úrovně 28 výstupního otvoru 23 ve směru proti proudění zvětšuje. Uvnitř sloupce 27 kapaliny se v určitém místě 29 tlak sníží pod úroveň tlaku par kapaliny. Na tomto místě 29 se nárazově vytvoří parní fáze, čímž se část 30 sloupce 27 kapaliny, nacházející se za tímto místem 29 a poháněná setrvačností, od zbylé kapaliny odtrhne.

Uvnitř vstřikovacího otvoru 23 se vytvoří meniskus kapaliny, na kterém je hranice fází mezi kapalinou a plynem obklopujícím ventil. Při přímém vstřikování paliva přímo do spalovacího prostoru

0000 ·0

0 000

0 0 • 0 •

0

0 « 0000

0

0·0 0

0

0 0 0

0000 jsou všechny komponenty nacházející se bezprostředně u spalovacího prostoru vystaveny extrémnímu tepelnému působení a rovněž tak ventil pro přímé vstřikování, zejména výstupní otvory 23 vyčnívající do spalovacího prostoru. Během spalování se mohou zejména na výše vysvětlené hranici fází tvořit zbytky karbonu, které se usazují na stěně vstřikovacího otvoru 23 a vedou k již vysvětleným nevýhodám, které mají být odstraněny. U známých ventilů tak vznikají v určité hloubce výstupních otvorů 23 prstencové usazeniny karbonu, které otvor nepříznivě zužují.

Při vytvoření vstřikovacího ventilu paliva podle vynálezu se mohou vstřikovací otvory 23 úplně vyprazdňovat, pročež se uvnitř vstřikovacích otvorů 23 nemohou tvořit žádné karbonové usazeniny. Podle vynálezu se proto bezprostředně na součásti ohraničující mrtvý objem 25, zde buď na uzavíracím tělesu ]_ ventilu nebo na tělesu 16 sedla ventilu, provede zpracování povrchu, kterým se vytvoří drsnost povrchu 33 pro akumulaci plynu.

Alespoň jeden z povrchů 33 ohraničujících mrtvý objem 25, a to povrch konce jehly ventilu odvráceného od směru proudění, popříp-adě uzavíracího tělesa Ί_ ventilu, a povrch tělesa 16 sedla ventilu, který má vstřikovací oblast odvrácenou od směru proudění, má pórovitou strukturu. Pórovitý povrch 33 se vyrobí například zdrsněním (svislým erodováním, naleptáním, broušením hrubým zrnem, vytvořením rýh nebo drážek soustružením, pískováním, tryskáním kovovými kuličkami apod.) nebo slinováním odpovídající součásti. Povrch 33 má po tomto zpracování povrchu povrchovou strukturu, u níž jsou alespoň některé póry k akumulování plynu provedeny s hloubkou drsnosti nejméně 25 μτη.

Ve zdrsněném povrchu 33 se mohou v některých pórech pevně držet nejmenší bubliny plynu. U eventuálně slinované součásti se »

• 0 0

0' 0 0 • 0000 0 ·

000» 0 • 0 »·00 00 0·

0 0 0 0 0 »

0 '000 0 0 · • 0 0 0 0 0 0 • · · 0 _ ♦ 0

000 00 0000 plynná fáze akumuluje ve velkém množství dutin struktury materiálu, dokonce i v oblastech materiálu vzdálených od bezprostředního povrchu 33. Bublinky plynu akumulované v pórech zdrsněného povrchu 33 jsou velmi malé, takže se vzhledem ke svému vysokému povrchovému napětí a proto dobré adhezi nemohou proudem tekutiny vyplavovat z pórů.

Při otevírání ventilu nadzvednutím uzavíracího tělesa ]_ ventilu od plochy 22 sedla ventilu se zvyšuje tlak v mrtvém prostoru 25, čímž se stlačuje objem plynu ve slepém vrtání 33. Plyn je přitom vtlačován hlouběji do slepého vrtání 33. Při zavírání ventilu’ tlak kapaliny opět klesá a objem plynu uvnitř slepého vrtání 33 se opět zvětšuje. Protože je přítok další kapaliny do mrtvého prostoru 25 při zavřeném ventilu zastaven, nastává setrvačností právě ještě vytékající kapaliny podtlak v kapalné fázi. Tím se může objem plynu slepého vrtání 33 ještě více zvětšit, takže zčásti dospěje do mrtvého prostoru 25. Tímto způsobem vytlačený objem kapaliny může vytéci z výstupního otvoru 23..

Zatímco se v mrtvém prostoru 25 opět nastaví tlaková rovnováha, vtahuje se setrvávající objem kapaliny kontrakcí plynné fáze z výstupních otvorů 23 opět zpátky do mrtvého prostoru 25. Výstupní otvory 23 se zcela naplní plynem spalovacího prostoru. Sloupec kapaliny z výstupních otvorů 23 zcela zmizí. Tímto způsobem již ve výstupním otvoru 23 také neexistuje meniskus sloupce 27 kapaliny, pročež se ve výstupním otvoru 23 nyní nemůže tvořit nepříznivá prstencová usazenina karbonu.

Další způsob účinku zdrsněného povrchu 33 sestává v tom, že póry akumulující plyn fungují jako zárodky tvorby páry. Při výše popsaném poklesu tlaku paliva, který se zapříčiní zavíráním ventilu, se v pórech při snížení tlaku pod tlak páry tvoří bubliny par paliva.

·· % * » · · ·· Φ · • ····»« Φ · · • ••Φ Φ ·· »··· • · « ♦ 9 9

9 9

9999

Přibýváním bublin páry se kapalné palivo vytlačuje z mrtvého prostoru 25. Po nastavení tlakové rovnováhy v mrtvém prostoru 25 se objem tekutiny setrvávající ve výstupních otvorech 23 vtahuje kontrakcí plynné fáze zpět do mrtvého objemu 25..

Špička jehly ventilu, popřípadě uzavírací těleso 7 ventilu, nejsou výlučně součásti vstřikovacího ventilu. paliva, na kterých může být vytvořeno zdrsnění povrchu podle vynálezu. Spíše je jen třeba zajistit, aby povrch 33 mající požadovanou drsnost částečně ohraničoval mrtvý objem 25. ⁵ ·

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Vstřikovací ventil paliva, zejména vstřikovací ventil paliva vyčnívající přímo do spalovacího prostoru spalovacího motoru, s buditelným ovladačem (10, 11, 12), s uzavíracím tělesem (7) ventilu ovládaným ovladačem (10, 11, 12), s pevným sedlem (22) ventilu spolupůsobícím k otevírání a zavírání ventilu s uzavíracím tělesem (7) ventilu, s výstupem paliva vytvořeným ve vstřikovací oblasti' která je tvořena alespoň jedním výstupním otvorem'(23) uspořádaným za sedlem (22) ventilu, a s mrtvým prostorem (25) vytvořeným za sedlem (22) ventilu a před vstřikovací oblastí tvořenou alespoň jedním výstupním otvorem (23), vyznačující se tím, že povrch (33) alespoň jedné součásti ohraničující mrtvý objem (25) má povrchovou strukturu s přímým přístupem k mrtvému objemu (25), u níž jsou alespoň některé póry k akumulaci plynu spalovacího prostoru provedeny s hloubkou drsnosti nejméně 25 μτη.
2. Vstřikovací ventil paliva podle nároku 1, vyznačující se tím, žts povrch (33) je pórovitý.
3. Vstřikovací ventil paliva podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že povrchová struktura povrchu (33) je zdrsněna prostřednictvím svislého erodování.
4. Vstřikovací ventil paliva podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že povrchová struktura povrchu (33) je zdrsněna prostřednictvím naleptání.

φφ φφφφ • φ φ φ φ * • φ *φ ♦ φ φ φ

ΦΦΦ • ΦΦΦ· • φ φφ φ
5. Vstřikovací ventil paliva podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že povrchová struktura povrchu (33) je zdrsněna prostřednictvím broušení hrubým zrnem.
6. Vstřikovací ventil paliva podle nároku 5, vyznačující se tím, že povrchová struktura povrchu (33) je zdrsněna prostřednictvím vytvoření rýh nebo drážek soustružením.
7. Vstřikovací ventil paliva podle nároku 6, vyznačující se tím, že povrchová struktura povrchu (33) je vyrobitelná prostřednictvím slinování součásti mající povrch (33). ⁵
8. Vstřikovací ventil paliva podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že na konci jehly ventilu přivráceném k výstupním otvorům (23) a odvráceném od směru proudění, popřípadě na uzavíracím tělesu (7) ventilu na jeho povrchu (33) přivráceném k mrtvému objemu (25), je upravena povrchová struktura.
9. Vstřikovací ventil paliva podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že póry povrchu (33) akumulující plyn slouží také jako zárodky tvorby páry.
10. Vstřikovací ventil paliva podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vstřikovací ventil paliva vyčnívá do spalovacího prostoru zážehového spalovacího motoru.
11. Vstřikovací ventil paliva podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vstřikovací ventil paliva vyčnívá do spalovacího prostoru vznětového spalovacího motoru.