DE10038097A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents
BrennstoffeinspritzventilInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil, insbesondere ein direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ragendes Brennstoffeinspritzventil, mit einem erregbaren Aktuator (10, 11, 12), mit einem durch den Aktuator (10, 11, 12) bewegbaren Ventilschließkörper (7), mit einem festen Ventilsitz (22), mit dem der Ventilschließkörper (7) zum Öffnen und Schließen des Ventils zusammenwirkt, mit einem in einem stromabwärtigen Abspritzbereich ausgebildeten Brennstoffauslass, der von wenigstens einer stromabwärts des Ventilsitzes (22) angeordneten Austrittsöffnung (23) gebildet ist, und mit einem stromabwärts des Ventilstizes (22) stromaufwärts des die wenigstens eine Austrittsöffnung (23) aufweisenden Abspritzbereichs gebildeten Totvolumen (25). In dem Ventilschließkörper (7) ist eine Einrichtung zur Speicherung von Brennraumgas in Form einer Sackbohrung (33) mit direktem Zugang zu dem Totvolumen (25) vorgesehen.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil
nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Bei motorischem Betrieb tritt allgemein bei der
Direkteinspritzung eines Brennstoffs in den Brennraum einer
Brennkraftmaschine, insbesondere bei der
Benzindirekteinspritzung bzw. der Einspritzung von Diesel-
Kraftstoff, das Problem auf, dass die in den Brennraum
ragende stromabwärtige Spitze des Einspritzventils durch
Brennstoffablagerungen verkokt bzw. sich in der Flammenfront
gebildete Rußpartikel an der Ventilspitze anlagern. Bei
bisher bekannten in den Brennraum ragenden Einspritzventilen
besteht deshalb über ihre Lebensdauer die Gefahr einer
negativen Beeinflussung der Sprayparameter (z. B. statische
Strömungsmenge, Strahlwinkel, Tröpfchengröße, Strähnigkeit),
die zu Laufstörungen der Brennkraftmaschine bzw. bis zu
einem Ausfall des Einspritzventils führen kann.
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den
Vorteil, dass diese vorgenannten negativen Effekte der
Verkokung (Rußablagerung) besonders an der in den Brennraum
ragenden Ventilspitze mit ihren Austrittsöffnungen
eingeschränkt bzw. beseitigt sind. Durch das
erfindungsgemäße Ausbilden einer Einrichtung zur Speicherung
von Brennraumgas mit Zugang zu dem zwischen Ventilnadelende
und die Austrittsöffnungen umfassendem Abspritzbereich
gelegenen Totvolumen können Verkokungsablagerungen in den
Austrittsöffnungen weitgehend verhindert werden. Durch den
Auftrieb der Gasphase gegenüber der Flüssigkeitsphase
verbleibt das Gas in der Einrichtung zur Speicherung von
Brennraumgas.
Auf diese Weise können die Sprayparameter und die
Ventilfunktion auch bei direkter Einspritzung von Brennstoff
in einen Brennraum an den Brennstoffeinspritzventilen über
ihre lange Lebensdauer stabil aufrechterhalten werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im
Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils
möglich.
Von Vorteil ist es, eine oder mehrere Sackbohrungen am den
Austrittsöffnungen zugewandten Ventilnadelende bzw. am
Ventilschließkörper an dessen dem Totvolumen zugewandter
Oberfläche vorzusehen. Dabei ist sicherzustellen, dass die
Sackbohrungen Zugang zu dem Totvolumen haben und dass das
Gasvolumen per Auftriebskraft nicht aus dem
Gasspeichervolumen entweichen kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein
teilweise dargestelltes Brennstoffeinspritzventil und Fig.
2 einen schematischen Schnitt durch eine Austrittsöffnung
mit einer darin stehenden und abreißenden Flüssigkeitssäule.
In der Fig. 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Ventil in
der Form eines Einspritzventils für
Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden
fremdgezündeten Brennkraftmaschinen teilweise dargestellt.
Das Einspritzventil hat einen rohrförmigen Ventilsitzträger
1, in dem konzentrisch zu einer Ventillängsachse 2 eine
Längsöffnung 3 ausgebildet ist. In der Längsöffnung 3 ist
eine z. B. rohrförmige Ventilnadel 5 angeordnet, die an
ihrem stromabwärtigen Ende 6 mit einem z. B. kugelförmigen
Ventilschließkörper 7, an dessen Umfang beispielsweise fünf
Abflachungen 8 zum Vorbeiströmen des Brennstoffs vorgesehen
sind, fest verbunden ist.
Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter
Weise, beispielsweise elektromagnetisch. Zur axialen
Bewegung der Ventilnadel 5 und damit zum Öffnen entgegen der
Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder bzw.
Schließen des Einspritzventils dient ein schematisch
angedeuteter elektromagnetischer Kreis mit einer Magnetspule
10, einem Anker 11 und einem Kern 12. Der Anker 11 ist mit
dem dem Ventilschließkörper 7 abgewandten Ende der
Ventilnadel 5 durch z. B. eine mittels eines Lasers
ausgebildete Schweißnaht verbunden und auf den Kern 12
ausgerichtet.
Zur Führung des Ventilschließkörpers 7 während der
Axialbewegung dient eine Führungsöffnung 15 eines
Ventilsitzkörpers 16, der in das stromabwärts liegende, dem
Kern 12 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 1 in der
konzentrisch zur Ventillängsachse 2 verlaufenden
Längsöffnung 3 durch Schweißen dicht montiert ist. Der
Ventilsitzkörper 16 ist beispielsweise becherförmig
ausgeführt, wobei ein Mantelteil 17 des Ventilsitzkörpers 16
in Richtung zum Anker 11 hin in einen an dem
Ventilsitzträger 1 anliegenden Kragen 18 übergeht. Auf der
dem Kragen 18 gegenüberliegenden Seite weist der
Ventilsitzkörper 16 ein Bodenteil 19 auf, das z. B. konvex
gewölbt ist.
Die Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 16 bestimmt die
Größe des Hubs der Ventilnadel 5, da die eine Endstellung
der Ventilnadel 5 bei nicht erregter Magnetspule 10 durch
die Anlage des Ventilschließkörpers 7 an einer sich
stromabwärts konisch verjüngenden bzw. geringfügig gewölbt
ausgebildeten Ventilsitzfläche 22 am Bodenteil 19 des
Ventilsitzkörpers 16 festgelegt ist. Die andere Endstellung
der Ventilnadel 5 wird bei erregter Magnetspule 10
beispielsweise durch die Anlage des Ankers 11 an dem Kern 12
festgelegt. Der Weg zwischen diesen beiden Endstellungen der
Ventilnadel 5 stellt somit den Hub dar. Der kugelförmige
Ventilschließkörper 7 wirkt mit der kegelstumpfförmigen bzw.
gewölbten Ventilsitzfläche 22 des Ventilsitzkörpers 16
zusammen, die zwischen der Führungsöffnung 15 und mehreren
in einem zentralen Bereich des Bodenteils 19 des
Ventilsitzkörpers 16 eingebrachten Austrittsöffnungen 23
ausgebildet ist. Das Bodenteil 19 bildet den Abspritzbereich
des Brennstoffeinspritzventils.
Das Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere als
sogenanntes Mehrlochventil ausgeführt, das sich insbesondere
zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht
dargestellten Brennraum eignet. Dabei sind in dem Bodenteil
19 des Ventilsitzkörpers 16 wenigstens zwei, aber auch vier
oder noch deutlich mehr Austrittsöffnungen 23 z. B. mittels
Erodieren, Laserbohren oder Stanzen eingebracht. Für eine
gewünschte Ausfüllung des Brennraums mit Brennstoff sind die
Austrittsöffnungen 23 beispielsweise mit unterschiedlichen
Winkeln zur Ventillängsachse 2 ausgerichtet, wobei sich z. B.
alle Austrittsöffnungen 23 in stromabwärtiger Richtung unter
einem Winkel von der Ventillängsachse 2 entfernen.
Insbesondere derartige Mehrlochventile für die
Direkteinspritzung von Brennstoff in einen Brennraum, deren
Austrittsöffnungen direkt der Brennraumatmosphäre ausgesetzt
sind, sind stark verkokungsanfällig. Im ungünstigen Fall
können solche Austrittsöffnungen an ihrem Umfang durch
Verkokungsanlagerungen zuwachsen, wodurch die gewünschten
Einspritzmengen nicht mehr in zulässigem Maße dosiert und
zugemessen werden können.
Mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil soll in
hohem Maße vermieden werden, dass Verkokungsablagerungen des
Brennraums im Bereich der Austrittsöffnungen 23 diese
zusetzen und so die Einspritzmengen über die Lebensdauer des
Ventils erheblich verändern.
Da der Ventilschließkörper 7 und das gewölbte Bodenteil 19
des Ventilsitzkörpers 16 mit unterschiedlichen Radien
ausgeformt sind, liegt bei geschlossenem
Brennstoffeinspritzventil innerhalb der ringförmig
umlaufenden Ventilsitzfläche 22 im Bereich der
Austrittsöffnungen 23 zwischen dem Ventilschließkörper 7 und
dem Bodenteil 19 ein abgeschlossener Zwischenraum vor, der
ein Totvolumen 25 darstellt. Erfindungsgemäß soll zur
Vermeidung der Verkokungsanlagerungen an den
Austrittsöffnungen 23 eine Gasspeicherung im Totvolumen 25
erfolgen. Bevor dieses Funktionsprinzip der Gasspeicherung
beschrieben wird, soll im folgenden kurz das Entstehen von
Verkokungsablagerungen erläutert werden.
Anhand von Fig. 2, die eine Austrittsöffnung 23 schematisch
zeigt, werden die Vorgänge der Durchströmung und der
Verkokung nachfolgend erläutert. Wenn der
Ventilschließkörper 7 am Ende des Einspritzvorgangs zurück
an die Ventilsitzfläche 22 gedrückt wird, wird der
Durchfluss durch die Austrittsöffnungen 23 abrupt gestoppt.
Es fließt also kein Brennstoff mehr durch den
Dichtsitzbereich an der Ventilsitzfläche 22 vorbei in das
Totvolumen 25 nach.
Die unmittelbar vor dem Schließen des Ventils noch aus den
Austrittsöffnungen 23 austretende Flüssigkeitssäule 27
besitzt aufgrund ihrer Masse eine gewisse Trägheit. Der
infolge des Schließens des Ventils und des damit verbundenen
Stops des Durchflusses im Dichtsitzbereich entstehende
Unterdruck in der Flüssigkeitssäule 27 wird ausgehend von
einer Austrittsebene 28 der Austrittsöffnung 23 in
stromaufwärtiger Richtung innerhalb der Austrittsöffnung 23
trägheitsbedingt größer. An einer bestimmten Stelle 29
innerhalb der Flüssigkeitssäule 27 wird der Dampfdruck der
Flüssigkeit unterschritten. An dieser Stelle 29 bildet sich
schlagartig eine Dampfphase aus, wodurch der stromabwärtig
dieser Stelle 29 gelegene Teil 30 der Flüssigkeitssäule 27
trägheitsgetrieben von der restlichen Flüssigkeit abreißt.
Es bildet sich innerhalb der Austrittsöffnung 23 ein
Meniskus der Flüssigkeit aus, an dem eine Phasengrenze
zwischen der Flüssigkeit und dem das Ventil umgebenden Gas
vorliegt. Bei der Direkteinspritzung von Brennstoff direkt
in einen Brennraum sind sämtliche Komponenten unmittelbar am
Brennraum einer extremen Hitzeeinwirkung unterlegen, so auch
ein Direkteinspritzventil, insbesondere die in den Brennraum
ragenden Austrittsöffnungen 23. Während der Verbrennung
können sich insbesondere an der oben erwähnten Phasengrenze
Verkokungsrückstände bilden, die sich an der Wandung der
Austrittsöffnung 23 anlagern und zu den bereits erläuterten
zu überwindenden Nachteilen führen. So entstehen bei
bekannten Ventilen in einer bestimmten Tiefe in den
Austrittsöffnungen 23 ringförmige Verkokungsablagerungen,
welche den Durchfluss nachteilig einschnüren.
Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung des
Brennstoffeinspritzventils werden die Austrittsöffnungen 23
vollständig entleert, weshalb sich innerhalb der
Austrittsöffnungen 23 keine Verkokungsablagerungen bilden
können. Erfindungsgemäß wird deshalb unmittelbar am
Totvolumen 25 eine Einrichtung zur Gasspeicherung
geschaffen. Im in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist
diese Einrichtung zur Gasspeicherung als zentrale
Sackbohrung 33 im Ventilschließkörper 7 an dessen dem
Totvolumen 25 zugewandter Oberfläche ausgeführt. Die
Sackbohrung 33 ist mit Brennraumgas bzw. mit der im
Brennstoff gelösten Luft gefüllt. Durch den Auftrieb der
Gasphase gegenüber der Flüssigkeitsphase verbleibt das Gas
in der Sackbohrung 33.
Beim Öffnen des Ventils durch Abheben des
Ventilschließkörpers 7 von der Ventilsitzfläche 22 nimmt der
Flüssigkeitsdruck im Totvolumen 25 zu, wodurch das
Gasvolumen in der Sackbohrung 33 komprimiert wird. Das Gas
wird dabei tiefer in die Sackbohrung 33 hineingedrückt. Beim
Schließen des Ventils nimmt der Flüssigkeitsdruck wieder ab,
und das Gasvolumen dehnt sich innerhalb der Sackbohrung 33
wieder aus. Da der Zufluss weiterer Flüssigkeit in das
Totvolumen 25 bei geschlossenem Ventil unterbunden ist,
entsteht durch die Trägheit der soeben noch austretenden
Flüssigkeit ein Unterdruck in der Flüssigphase. Dadurch kann
sich das Gasvolumen der Sackbohrung 33 noch weiter
ausdehnen, so dass es zum Teil in das Totvolumen 25 gelangt.
Das auf diese Weise verdrängte Flüssigkeitsvolumen kann aus
der Austrittsöffnung 23 ausströmen.
Während sich wieder ein Druckgleichgewicht im Totvolumen 25
einstellt, zieht sich das verbliebene Flüssigkeitsvolumen
durch Kontraktion der Gasphase wieder aus den
Austrittsöffnungen 23 in das Totvolumen 25 zurück. Die
Austrittsöffnungen 23 füllen sich vollständig mit
Brennraumgas. Die Flüssigkeitssäule ist aus den
Austrittsöffnungen 23 vollständig verschwunden. Auf diese
Weise existiert auch kein Meniskus der Flüssigkeitssäule 27
in der Austrittsöffnung 23 mehr, weshalb sich in der
Austrittsöffnung 23 nun auch keine nachteilige ringförmige
Verkokungsablagerung bilden kann.
Anstelle einer einzigen Sackbohrung 33 können auch mehrere
kleinere Sackbohrungen 33 nebeneinander am den
Austrittsöffnungen 23 zugewandten Ventilnadelende bzw. am
Ventilschließkörper 7 vorgesehen sein. Dies hat den Vorteil,
dass bei gleichem Gasspeichervolumen der Querschnitt der
einzelnen Sackbohrungen 33 kleiner ist und damit die
Kapillarwirkung in den Sackbohrungen 33 zunimmt. Das
gespeicherte Gas kann so noch weniger durch Strömungskräfte
der Flüssigkeit aus den Sackbohrungen 33 ausgetrieben
werden.
Die Ventilnadelspitze bzw. der Ventilschließkörper 7 sind
nicht ausschließlich die Bauteile des Brennstoffeinspritz
ventils, an denen die erfindungsgemäßen Sackbohrungen 33
ausgebildet sein können. Vielmehr ist nur sicherzustellen,
dass die Sackbohrungen 33 Zugang zu dem Totvolumen 25 haben
und dass das Gasvolumen per Auftriebskraft nicht aus dem
Gasspeichervolumen entweichen kann.
Claims (10)
1. Brennstoffeinspritzventil, insbesondere direkt in einen
Brennraum einer Brennkraftmaschine ragendes
Brennstoffeinspritzventil, mit einem erregbaren Aktuator
(10, 11, 12), mit einem durch den Aktuator (10, 11, 12)
bewegbaren Ventilschließkörper (7), mit einem festen
Ventilsitz (22), mit dem der Ventilschließkörper (7) zum
Öffnen und Schließen des Ventils zusammenwirkt, mit einem in
einem stromabwärtigen Abspritzbereich ausgebildeten
Brennstoffauslass, der von wenigstens einer stromabwärts des
Ventilsitzes (22) angeordneten Austrittsöffnung (23)
gebildet ist, und mit einem stromabwärts des Ventilsitzes
(22) und stromaufwärts des die wenigstens eine
Austrittsöffnung (23) aufweisenden Abspritzbereichs
gebildeten Totvolumen (25), dadurch gekennzeichnet, dass in
wenigstens einem das Totvolumen (25) begrenzenden Bauteil
eine Einrichtung (33) zur Speicherung von Brennraumgas mit
direktem Zugang zu dem Totvolumen (25) vorgesehen ist.
2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einrichtung (33) zur Speicherung
von Brennraumgas derart gestaltet ist, dass das gespeicherte
Gas per Auftriebskraft nicht aus dem Gasspeichervolumen
entweichen kann.
3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Speicherung von
Brennraumgas durch eine Sackbohrung (33) an einem das
Totvolumen (25) begrenzenden Bauteil gebildet ist.
4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Speicherung von
Brennraumgas durch mehrere Sackbohrungen (33) an wenigstens
einem das Totvolumen (25) begrenzenden Bauteil gebildet ist.
5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, dass an einem den Austrittsöffnungen (23)
zugewandten stromabwärtigen Ventilnadelende bzw. am
Ventilschließkörper (7) an dessen dem Totvolumen (25)
zugewandter Oberfläche die wenigstens eine Sackbohrung (33)
vorgesehen ist.
6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (7) kugelförmig
ausgeführt ist und die wenigstens eine Sackbohrung (33) eine
zylindrische Form hat.
7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Sackbohrung (33)
entlang der Ventillängsachse (2) verläuft.
8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die wenigstens
eine Austrittsöffnung (23) aufweisende Abspritzbereich als
Bodenteil (19) eines den Ventilsitz (22) aufweisenden
Ventilsitzkörpers (16) konvex gewölbt ist.
9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Brennstoffeinspritzventil in den Brennraum einer
fremdgezündeten Brennkraftmaschine ragt.
10. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, dass das
Brennstoffeinspritzventil in den Brennraum einer
selbstzündenden Brennkraftmaschine ragt.
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