DE102004053352A1

DE102004053352A1 - Ventil zum Einspritzen von Brennstoff

Info

Publication number: DE102004053352A1
Application number: DE102004053352A
Authority: DE
Inventors: Claus Anzinger; Willibald Dr. Schürz; Martin Simmet
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-18
Also published as: EP1655481A1; US20060108452A1

Abstract

Ein Ventil zum Einspritzen von Brennstoff hat einen Ventilkörper (4), in dem eine Ausnehmung ausgebildet ist. Die Ausnehmung weitet sich in einem abströmseitigen Bereich hin zu einer Ablösekante (11). Das Ventil hat ferner eine Ventilnadel, die in der Ausnehmung angeordnet ist und die einen Schließkörper (14) hat. Der Schließkörper (14) sitzt in einer Schließposition auf einem Ventilsitz (18) auf und unterbindet einen Brennstoffstrom und gibt diesen ansonsten frei. Der Schließkörper (14) ist so ausgebildet, dass zwischen dem Ventilkörper (4) und dem Schließkörper (14) stromabwärts des Ventilsitzes (18) ein Spalt (19) ausgebildet ist, der einen Spaltwinkel (beta), eine Spaltlänge (1) und eine maximale Spaltbreite (s) aufweist. Der Spaltwinkel (beta) und die Spaltlänge (1) sind so ausgebildet, dass in der Schließposition die maximale Spaltbreite (s) mindestens so groß ist wie eine Oberflächenrauigkeit des Ventilkörpers (4) oder des Schließkörpers (14) und dass die maximale Spaltbreite (s) maximal 10 Mikrometer beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Einspritzen von Brennstoff, das einen Ventilkörper hat, in dem eine Ausnehmung ausgebildet ist und in der Ausnehmung eine Ventilnadel axial bewegbar angeordnet ist. Die Ventilnadel weist einen Schließkörper auf, der sich in einer Strömungsrichtung eines Brennstoffstroms kegelförmig oder kugelförmig weitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zu schaffen, bei dem 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.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Ventil zum Einspritzen von Brennstoff, das einen Ventilkörper hat, in dem eine Ausnehmung ausgebildet ist. Die Ausnehmung weitet sich in einem abströmseitigen Bereich in einer Strömungsrichtung des Brennstoffs kegelförmig oder kugelförmig hin zu einer Ablösekante. Eine Wandung der Ausnehmung in dem abströmseitigen Bereich bildet einen Ventilsitz. Das Ventil hat ferner eine Ventilnadel, die axial bewegbar in der Ausnehmung angeordnet ist und die an einem abströmseitigen Endbereich einen Schließkörper hat, der sich in der Strömungsrichtung kegelförmig oder kugelförmig hin zu einer ersten Kante weitet. Der Schließkörper sitzt in einer Schließposition auf dem Ventilsitz auf und unterbindet einen Brennstoffstrom und gibt diesen ansonsten frei. Die Ablösekante weist einen ersten Abstand zu dem Ventilsitz auf. Der Schließkörper ist so ausgebildet, dass zwischen dem Ventilkörper und dem Schließkörper stromabwärts des Ventilsitzes ein Spalt ausgebildet ist, der einen Spaltwinkel und eine maximale Spaltbreite aufweist. Der Spaltwinkel und der erste Abstand sind so ausgebildet, dass in der Schließposition die maximale Spaltbreite mindestens so groß ist wie eine Oberflächenrauhigkeit des Ventilkörpers oder des Schließkörpers. Der Spaltwinkel und der erste Abstand sind ferner so ausgebildet, dass in der Schließposition die maximale Spaltbreite maximal 10 Mikrometer beträgt.

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 in dem Spalt 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. Diese unerwünschten Ablagerungen entstehen beispielsweise in einem abströmseitigen Bereich des Spalts, insbesondere in einem Bereich der ersten Kante des Schließkörpers. Ein Sprühbild des Ventils kann dadurch nachteilig verändert sein.

Durch das Ausbilden der maximalen Spaltbreite kleiner als 10 Mikrometer ist ein Volumen des Spalts so klein, dass in der Schließposition der Ventilnadel nur wenig Brennstoff in dem Spalt verbleiben kann. Der gegebenenfalls in dem Spalt verbleibende Brennstoff ist dann thermisch so gut mit dem Ventilkörper und mit dem Schließkörper der Ventilnadel gekoppelt, dass der Brennstoff durch heiße Verbrennungsgase nicht genügend aufgeheizt werden kann, um zu verkoken und die unerwünschten Ablagerungen zu bilden. Aufgrund der geringen Abmessungen des Spalts kann das Entstehen der unerwünschten und das Sprühbild beeinflussenden Ablagerungen in dem Spalt zuverlässig verhindert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die maximale Spaltbreite in der Schließposition maximal 5 Mikrometer. Dies hat den Vorteil, dass der Spalt besonders schmal ausgebildet ist und der Spalt somit ein besonders geringes Volumen aufweist. Dadurch kann besonders wenig Brennstoff in dem Spalt verbleiben und der Brennstoff ist besonders gut thermisch an den Ventilkörper oder den Schließkörper angekoppelt und das Verkoken des Brennstoffs wird so besonders zuverlässig verhindert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der erste Abstand zwischen etwa 50 Mikrometern und 500 Mikrometern. Dadurch ist der Spalt so kurz, dass das Volumen des Spalts sehr klein sein kann. Ferner ist das Ventil mit dem stromabwärts des Ventilsitzes ausgebildeten Spalt einfacher mit dem gewünschten Sprühbild herstellbar als ein Ventil ohne einen solchen Spalt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Spaltwinkel etwa zwischen 1 Grad und 10 Grad. Der Spaltwinkel ist somit so groß, dass ein sicheres Schließen des Ventils in der Schließposition gewährleistet ist, und ist so klein, dass das Volumen des Spalts sehr klein sein kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Kante einen zweiten Abstand zu dem Ventilsitz auf. Der erste Abstand ist dabei kleiner als der zweite Abstand. Ein solches Ventil ermöglicht ein besonders stabiles Sprühbild.

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 ein vergrößerter Ausschnitt des abströmseitigen Bereichs des Ventils gemäß 3.
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 und 4 zeigen vergrößerte Ausschnitte des abströmseitigen Bereichs des Ventils. Die Ausnehmung 5 in dem Ventilkörper 4 weitet sich in einem abströmseitigen Bereich des Ventilkörpers 4 kegelförmig hin zu einer Ablösekante 11 und bil det so einen Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4. Der Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4 weist einen Einstellwinkel αauf, der auf eine Längsachse 13 der Ausnehmung 5 bezogen ist.
Die Ventilnadel 6 hat an ihrem abströmseitigen Endbereich 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.
Zwischen dem ersten Kegel 15 und dem zweiten Kegel 16 ist ein Dichtband 17 vorgesehen. Der Schließkörper 14 sitzt mit dem Dichtband 17 in einer Schließposition der Ventilnadel 6 auf einem Ventilsitz 18 auf und unterbindet so den Brennstoffstrom. Der Ventilsitz 18 ist bevorzugt die Mitte einer Berührfläche des Dichtbands 17 des Schließkörpers 14 und des Innenkegels 12 des Ventilkörpers 4. In dem Ventilsitz 18 ist eine mechanische Spannung durch ein Aufeinanderpressen des Schließkörpers 14 und des Innenkegels 12 des Ventilkörpers 4 am größten. Diese mechanische Spannung wird auch Hertz'sche Pressung genannt. Das Dichtband 17 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 18 ein Spalt 19 zwischen dem ersten Kegel 15 und dem Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4 ausgebildet. Der Spalt 19 weist einen Spaltwinkel β, eine Spaltlänge 1 und eine maximale Spaltbreite s auf. Die Spaltlänge 1 ist gleich einem ersten Abstand der Ablösekante 11 von dem Ventilsitz 18.
Der erste Kegel 15 erstreckt sich stromabwärts des Ventilsitzes 18 bis zu einer ersten Kante 20, die von dem Ventilsitz 18 einen zweiten Abstand hat. Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, den ersten Abstand kleiner auszubilden als den zweiten Abstand. Das Sprühbild 10 hat dann eine für die Verbrennung besonders günstige Form.
Der Spalt 19 ist so ausgebildet, dass in der Schließposition des Ventils die maximale Spaltbreite s maximal 10 Mikrometer beträgt. Dadurch ist das Volumen des Spalts so klein, dass nur eine geringe Menge Brennstoff in dem Spalt verbleiben kann. Der Brennstoff ist thermisch sehr gut an den Ventilkörper 4 und an den Schließkörper 14 angekoppelt, so dass der Brennstoff nur wenig durch heiße Verbrennungsgase aufgeheizt wird und somit nicht verkokt.
Vorteilhafterweise beträgt die maximale Spaltbreite s weniger als 5 Mikrometer. Das Volumen des Spalts 19 ist somit besonders gering und gegebenenfalls in dem Spalt 19 verbliebener Brennstoff ist besonders gut gegen ein Verkoken geschützt. Die maximale Spaltbreite s ist jedoch mindestens so groß ausgebildet, dass diese in der Schließposition der Ventilnadel 6 etwa einer Oberflächenrauhigkeit des Ventilkörpers 4 oder des Schließkörpers 14 entspricht. Dadurch ist gewährleistet, dass auch bei den fertigungstechnisch unvermeidbaren Toleranzen bei der Herstellung des Ventils der Schließkörper 14 in der Schließposition der Ventilnadel 6 mit dem Dichtband 17 auf dem Ventilsitz 18 aufsitzt und das Ventil in der Schließposition zuverlässig den Brennstoffstrom unterbindet.
Die maximale Spaltbreite s ist durch den Spaltwinkel β und die Spaltlänge 1 beeinflusst. Die maximale Spaltbreite s wird in der Schließposition der Ventilnadel 6 ermittelt als eine Strecke entlang einer Geraden, die senkrecht auf dem Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4 steht und die Ablösekante 11 berührt, zwischen der Ablösekante 11 und einem Punkt bzw. einer Kreislinie auf dem ersten Kegel 15. Die maximale Spaltbreite s kann ebenso anders ermittelt werden, die vorstehend oder nachfolgend genannten Werte für die maximale Spaltbreite s, den Spaltwinkel β und die Spaltlänge 1 müssen dann gegebenenfalls äquivalent umgerechnet werden.
Bevorzugt ist der Spaltwinkel β zwischen etwa 1 Grad und 10 Grad ausgebildet und die Spaltlänge 1 zwischen etwa 50 Mikrometern und 500 Mikrometern ausgebildet. Die maximale Spaltbreite s kann beispielsweise als Tangens des Spaltwinkels β multipliziert mit der Spaltlänge 1 ermittelt werden. Über diese Beziehung kann eine geeignete Kombination des Spaltwinkels β, der Spaltlänge 1 und der maximalen Spaltbreite s ermittelt werden. Beispielsweise kann die Spaltlänge 1 lang ausgebildet werden, z.B. etwa 280 Mikrometer, wenn der Spaltwinkel β klein ausgebildet wird, z.B. etwa 1 Grad. Entsprechend kann der Spaltwinkel β groß ausgebildet werden, z.B. etwa 8 Grad, wenn die Spaltlänge 1 kurz ausgebildet wird, z.B. etwa 50 Mikrometer. Dabei sind die fertigungstechnisch unvermeidbaren Toleranzen bei der Herstellung des Ventils zu berücksichtigen. Ferner ist zu berücksichtigen, dass in der Schließposition der Ventilnadel 6 die maximale Spaltbreite s und somit auch das Volumen des Spalts durch eine Hertz'sche Pressung in dem Ventilsitz 18 verringert sein kann abhängig von einer Kraft, mit der das Dichtband 17 in dem Ventilsitz 18 auf den Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4 gepresst wird.

Claims

Ventil zum Einspritzen von Brennstoff, – das einen Ventilkörper (4) hat, – in dem eine Ausnehmung (5) ausgebildet ist, – die Ausnehmung (5) sich in einem abströmseitigen Bereich in einer Strömungsrichtung des Brennstoffs kegelförmig oder kugelförmig hin zu einer Ablösekante (11) weitet und – eine Wandung der Ausnehmung (5) in dem abströmseitigen Bereich einen Ventilsitz (18) bildet, und – das eine Ventilnadel (6) hat, die axial bewegbar in der Ausnehmung (5) angeordnet ist und die an einem abströmseitigen Endbereich einen Schließkörper hat, der sich in der Strömungsrichtung kegelförmig oder kugelförmig hin zu einer ersten Kante (20) weitet und der Schließkörper (14) in einer Schließposition auf dem Ventilsitz (18) aufsitzt und einen Brennstoffstrom unterbindet und diesen ansonsten freigibt, wobei – die Ablösekante (11) einen ersten Abstand zu dem Ventilsitz (18) aufweist, – der Schließkörper (14) so ausgebildet ist, dass zwischen dem Ventilkörper (4) und dem Schließkörper (14) stromabwärts des Ventilsitzes (18) ein Spalt ausgebildet ist, der einen Spaltwinkel (β) und eine maximale Spaltbreite (s) aufweist, – der Spaltwinkel (β) und der erste Abstand so ausgebildet sind, dass in der Schließposition die maximale Spaltbreite (s) mindestens so groß ist wie eine Oberflächenrauhigkeit des Ventilkörpers (4) oder des Schließkörpers (14), – der Spaltwinkel (β) und der erste Abstand so ausgebildet sind, dass in der Schließposition die maximale Spaltbreite (s) maximal 10 Mikrometer beträgt.
Ventil nach Anspruch 1, bei dem in der Schließposition die maximale Spaltbreite (s) maximal 5 Mikrometer beträgt.
Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der erste Abstand zwischen etwa 50 Mikrometern und 500 Mikrometern beträgt.
Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Spaltwinkel (β) etwa zwischen 1 Grad und 10 Grad beträgt.
Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Kante (20) einen zweiten Abstand zu dem Ventilsitz (18) aufweist und der erste Abstand kleiner ist als der zweite Abstand.