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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzventil zur Einspritzung
eines Fluids, wie beispielsweise eines Brennstoffs, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Einspritzventile
sind beispielsweise aus der Kraftfahrzeugtechnik zur Einspritzung
von Brennstoffen bekannt. Insbesondere sind beispielsweise Magnetventile
bekannt, welche einen flüssigen
Kraftstoff über
eine Vielzahl von Spritzlöchern,
die in einem Ventilsitz gebildet sind, einspritzen. Zur Freigabe
und zum Verschließen
der Spritzlöcher
ist es ferner bekannt, eine Ventilnadel mit einer am Ende der Ventilnadel
angeordneten Ventilkugel zu verwenden. Um möglichst eine große Menge
an Kraftstoff an der Ventilkugel vorbeiströmen zu lassen, wurde vorgeschlagen,
die Ventilkugeln mit mehreren Flächenanschnitten
zu versehen, so dass der Kraftstoff problemlos an der Ventilkugel
vorbeiströmen
kann. Hierbei werden beispielsweise vier oder fünf Flächenanschnitte an der Kugel
vorgesehen, an denen vorbei das Fluid dann bei geöffnetem
Einspritzventil zu den Einspritzlöchern strömt und als so genanntes Spray
aus den Einspritzlöchern
austritt. Hierbei wurde nun festgestellt, dass abhängig von
der Anordnung der Flächenanschnitte
an der Ventilkugel relativ zu einem Einspritzloch eine Veränderung
des Sprays auftritt. Daher ist es notwendig, dass eine vorbestimmte
Ausrichtung der Ventilkugeln mit den Flächenanschnitten relativ zu
den Einspritzlöchern
vorgesehen wird.
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Ferner
ist es bekannt, bei der Verwendung von Ventilkugeln als Öffnungs-
bzw. Schließelement Durchflusstaschen
in einem Gehäusebereich
seitlich der Ventilkugel vorzusehen. Diese Durchflusstaschen sind
jedoch sehr verschmutzungsanfällig
und ferner sehr teuer in ihrer Herstellung. Ferner müssen die
Durchflusstaschen ebenfalls in einer vorbestimmten Weise relativ
zu den Spritzlöchern
positioniert sein, um nachteilige Auswirkungen auf das Spray zu verhindern.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Einspritzventil
zur Einspritzung eines Fluids mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 weist demgegenüber
den Vorteil auf, dass es sehr einfach und kostengünstig herstellbar ist
und keine große
Anfälligkeit
gegenüber
Schmutz aufweist. Ferner ist es nicht notwendig, eine spezielle Ausrichtung
einer Ventilkugel gegenüber
den Spritzlöchern
vorzunehmen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das
Einspritzventil eine Ventilnadel, einen Ventilsitz mit wenigstens
einem Spritzloch und eine am Ende der Ventilnadel angeordnete Ventilkugel
umfasst. Die Ventilnadel wird mittels eines Aktors betätigt, so
dass die Ventilkugel die Spritzlöcher
im Ventilsitz freigibt bzw. verschließt. Die Ventilkugel umfasst
dabei an einem zur Ventilnadel gerichteten ersten Bereich wenigstens
einen Flächenanschnitt
und umfasst ferner an einem zum Ventilsitz gerichteten zweiten Bereich
eine umlaufende Aussparung. Die umlaufende Aussparung stellt dabei
sicher, dass ein in Strömungsrichtung
des Fluids nach dem Flächenanschnitt
liegender umlaufender Raum definiert wird, welcher zu einer zusätzlichen
Verwirbelung unmittelbar vor den Spritzlöchern führt. Dadurch wird vermieden,
dass eine Positionierung der Flächenanschnitte
relativ zu den Spritzlöchern
Auswirkungen auf das aus den Spritzlöchern austretende Spray hat.
Die zusätzliche
Verwirbelung unmittelbar vor den Spritzlöchern führt zu einer gleichmäßigen Fluidverteilung
zu den einzelnen Spritzlöchern.
Dabei ist sowohl die Ventilkugel mit den Flächenabschnitten als auch mit
der umlaufenden Aussparung sehr einfach und kostengünstig herstellbar.
Aufgrund der an der umlaufenden Aussparung auftretenden Verwirbelung
wird auch verhindert, dass sich Schmutz o. Ä. ablagern kann.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
umfasst die Aussparung einen zylindrischen Abschnitt. Der zylindrische
Abschnitt ist dabei parallel zu einer Mittelachse der Ventilnadel
angeordnet. Dadurch kann die Aussparung sehr einfach und kostengünstig hergestellt
werden.
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Weiter
bevorzugt umfasst die Aussparung einen sich verjüngenden Abschnitt. Hierdurch
kann eine besonders gute Verwirbelung des Fluids unmittelbar vor
den Spritzlöchern
erreicht werden. Vorzugsweise verjüngt sich der sich verjüngende Abschnitt
in Richtung des ersten Bereichs der Ventilkugel, so dass an der
Ventilkugel eine Hinterschneidung gebildet wird, welche für eine zusätzliche
Verwirbelung sorgt. Besonders bevorzugt ist der sich verjüngende Abschnitt
dabei konisch ausgebildet, was sehr einfach und kostengünstig hergestellt
werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist
der erste Bereich mit den Flächenanschnitten
an der Ventilkugel bis über
eine Hälfte
der Ventilkugel vorgesehen. Mit anderen Worten reicht der Bereich
mit den Flächenanschnitten über eine
gedachte Mittelebene senkrecht zur Mittelachse des Ventils hinaus.
Dadurch wird eine Verwirbelung unmittelbar vor den Spritzlöchern sichergestellt.
Der erste Bereich reicht dabei wenigstens 0,2 mm über die
die Kugelhälfte
definierende Ebene hinaus.
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Weiter
bevorzugt ist zwischen zwei benachbarten Flächenanschnitten jeweils ein
Führungsbereich
für die
Ventilkugel vorgesehen. Der Führungsbereich
führt die
Ventilkugel dabei während
des Öffnungs-
und Schließvorgangs.
Hierdurch kann eine Schrägstellung
der Ventilnadel bzw. der Ventilkugel verhindert werden.
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Besonders
bevorzugt weist der erste Bereich drei oder vier oder fünf Flächenanschnitte
auf. Hierdurch kann eine besonders kostengünstige Herstellung der Ventilkugel
erreicht werden. Besonders bevorzugt ist die Anzahl der Flächenanschnitte
dabei gleich wie eine Anzahl von Spritzlöchern.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst
der zweite Bereich der Ventilkugel einen Kugelabschnitt, an welchem
eine Abdichtung zum Ventilsitz bei einem geschlossenen Einspritzventil
erfolgt. Hierdurch kann eine einfache und sichere, insbesondere
ringförmige,
Abdichtung zwischen dem Kugelabschnitt und dem Ventilsitz erreicht
werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Einspritzventils gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
vergrößerte, teilweise
geschnittene Ansicht einer Ventilkugel des ersten Ausführungsbeispiels,
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3 eine
Schnittansicht entlang der Linie III-III von 2,
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4 eine
perspektivische Ansicht einer Ventilkugel gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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5 eine
schematische, teilweise geschnittene Ansicht eines Einspritzbereichs
eines Einspritzventils gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung,
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6 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie VI-VI von 5,
und
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7 eine
schematische, perspektivische Ansicht einer Ventilkugel des zweiten
Ausführungsbeispiels.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 Einspritzventil 1 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 zeigt
den schematischen Aufbau des Einspritzventils 1, welches
eine Ventilnadel 2, eine Ventilkugel 3 und einen
Ventilsitz 4 umfasst. Die Ventilkugel 3 ist fest
an einem Ende der Ventilnadel 2 fixiert. Das andere Ende
der Ventilnadel 2 ist mit einem Anker 5 verbunden,
welcher mittels einer Spule 6 in einer Axialrichtung X-X
des Einspritzventils angezogen werden kann. Eine Rückstellung
erfolgt mittels einer Rückstellfeder 7,
welche das Einspritzventil auch in geschlossenem Zustand hält, wenn
der Magnetaktor nicht betätigt
ist. Kraftstoff wird durch das Innere des Einspritzventils 1 zugeführt und
zwischen der Ventilnadel 2 und einem Gehäuse 20 zum
Ventilsitz 4 geleitet. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet
einen elektrischen Steckeranschluss des Einspritzventils. Der Ventilsitz 4 ist
im Wesentlichen topfförmig (vgl. 2)
und an dem Gehäuse
mittels Schweißen fixiert.
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Die 2, 3 und 4 zeigen
vergrößert die
Ventilkugel 3 sowie ein Zusammenwirken zwischen der Ventilkugel 3 und
dem Ventilsitz 4. Wie in 2 gezeigt,
ist die Ventilkugel 3 am Ende der Ventilnadel 2 fixiert.
Die Ventilkugel 3 kann dabei beispielsweise mittels Kleben
oder Schweißen
oder einem anderen Verbindungsverfahren mit der zylindrischen Ventilnadel 2 verbunden
werden, oder alternativ kann die Ventilnadel 2 und die
Ventilkugel 3 einstückig
aus einem Vollmaterial hergestellt werden. Die Ventilkugel 3 ist,
wie unmittelbar aus 2 ersichtlich ist, nicht vollständig kugelförmig, sondern
wird lediglich zur einfacheren Benennung als „Kugel" bezeichnet. Wie aus 2 ersichtlich
ist, sind an der Ventilkugel 3 vier Flächenanschnitte 30 vorgesehen,
welche symmetrisch angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Flächenanschnitten 30 ist
jeweils ein Führungsbereich 33 gebildet.
Die vier Führungsbereiche 33 führen dabei
die Ventilnadel an einem inneren zylindrischen Bereich 4a des
Ventilsitzes 4. Hierdurch kann insbesondere eine Schrägstellung
der Ventilnadel 2 verhindert werden. Es sei angemerkt,
dass die Ventilnadel 2 an ihrem zur Ventilkugel 3 entgegengesetzten
Ende beispielsweise durch den Anker 5 oder ein anderes
Führungselement
ebenfalls geführt
ist, um eine Schrägstellung
der Ventilnadel 2 zu verhindern.
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Wie
insbesondere aus den 2 und 4 ersichtlich
ist, ist die Ventilkugel 3 in einen ersten Bereich 31 und
einen zweiten Bereich 32 unterteilt. Der erste Bereich 31 weist
die Flächenanschnitte 30 auf und
reicht etwas über
eine Mittelebene E, die senkrecht zur Axialrichtung X-X durch die
Mitte der Ventilkugel 3 verläuft, hinaus. Wie aus 2 ersichtlich
ist, reicht der erste Bereich 31 um den Abstand A über die
Mittelebene E hinaus. Der zweite Bereich 32 der Ventilkugel 3 umfasst
einen umlaufenden Aussparungsbereich 34 und einen Kugelabschnitt 35.
Der Aussparungsbereich 34 weist einen sich verjüngenden
Bereich 34a und einen zylindrischen Bereich 34b auf.
Der sich verjüngende
Bereich 34a verjüngt
sich dabei ausgehend vom Kugelabschnitt 35 in Richtung des
ersten Bereichs 31. Durch das Vorsehen dieses Aussparungsbereichs 34 wird
ein ringförmiger
Fluidraum 9 zwischen dem ersten Bereich 31 und
einem Spritzloch 8 im Ventilsitz 4 gebildet. 2 zeigt
dabei den geschlossenen Zustand des Einspritzventils 1, wobei
eine im Wesentlichen linienförmige
Abdichtung zwischen dem Kugelabschnitt 35 und dem Ventilsitz 4 vorgesehen
ist. In 2 ist lediglich ein Spritzloch 8 eingezeichnet,
es sind jedoch mehrere Spritzlöcher,
beispielsweise fünf,
vorhanden.
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Wenn
nun das Einspritzventil geöffnet
wird, wird der Magnetaktor aktiviert, so dass der Anker 5 mitsamt
der Ventilnadel 2 und der Ventilkugel 3 gegen
die Federkraft der Rückstellfeder 7 bis
zu einem Anschlag angezogen wird. Dadurch hebt die Ventilkugel 3 vom
Ventilsitz 4 ab, so dass das einzuspritzende Fluid über die
Flächenanschnitte 30 an
der Ventilkugel 3 vorbeiströmt und in den Fluidraum 9 gelangt
und dann zwischen dem Kugelabschnitt 35 und einer Innenseite
des Ventilsitzes 4 zu den Spritzlöchern 8 geführt wird.
Durch den Aussparungsbereich 34, welcher in Strömungsrichtung
nach den Flächenanschnitten 30 gebildet
ist, erfolgt eine starke Verwirbelung der Strömung während der Ventilöffnungsphase,
welche insbesondere im ringförmigen
Fluidraum 9 zu einem Druckausgleich führt. Mit anderen Worten wird
durch den Aussparungsbereich 34 verhindert, dass sich nach
den Flächenanschnitten 30 Bereiche
mit großen
Druckunterschieden bilden können.
Hierdurch wird erfindungsgemäß erreicht,
dass sich unabhängig
von einer Ausrichtung der Ventilkugel 3 und damit einer
Ausrichtung der Flächenanschnitte 30 keine
Auswirkungen auf die Durchflussmenge von Fluid durch die Spritzlöcher 8 ergeben.
Im Gegensatz dazu bilden sich bei dem Stand der Technik abhängig von
der Ausrichtung der Flächenanschnitte 30 Bereiche
unterschiedlichen Druckes nach den Flächenanschnitten, welche große Auswirkungen
auf die Durchflussmengen durch die Spritzlöcher haben, so dass sich das
von den Spritzlöchern
erzeugte Spray in Abhängigkeit
von einer Ausrichtung der Flächenanschnitte ändert. Dadurch
ist im Stand der Technik jedoch nicht gewährleistet, dass das Spray auf
entsprechende Auslegung in den Brennraum oder in ein Saugrohr eingespritzt
wird. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen
des Aussparungsbereichs 34 wird dies jedoch unabhängig von
einer Ausrichtung der Flächenanschnitte 30 vermieden. Somit
ist es erfindungsgemäß nicht
notwendig, eine spezielle Ausrichtvorrichtung für die Ventilnadel 2 vorzusehen.
Ein Einbau der zur Mittelachse X-X symmetrischen Ventilnadel 2 kann
beliebig erfolgen.
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Da,
wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, ein Großteil des
an den Flächenanschnitten 30 vorbeiströmenden Fluids
unmittelbar auf den sich verjüngenden
Bereich 34a trifft, wird eine sehr starke Verwirbelung
erreicht.
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Die
Geometrie der erfindungsgemäßen Ventilkugel 3 kann
dabei einfach hergestellt werden. Die Flächenanschnitte können beispielsweise
durch Schleifen erzeugt werden und der Aussparungsbereich 34 kann
beispielsweise durch Drehen einfach hergestellt werden. Durch die
starke Verwirbelung des Fluids im zweiten Bereich 32 ist
die erfindungsgemäße Ventilkugel 3 auch
weniger schmutzanfällig. Um
eine gute Führung
der Kugel 3 zu erhalten, ist der Abstand A, über welchen
der erste Bereich 31 über die
mittlere Ebene E reicht, wenigstens 0,2 mm groß.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 ein
Einspritzventil 1 gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile
sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
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Im
Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
weist die Ventilkugel 3 des zweiten Ausführungsbeispiels
einen zweiten Bereich 32 auf, welcher als Aussparungsbereich
einen zylindrischen Bereich 44 aufweist. Dadurch ist der
Aussparungsbereich, welcher den Flächenanschnitten 30 in
Strömungsrichtung
nachfolgt, sehr einfach aufgebaut und kann besonders kostengünstig bereitgestellt
werden. Wie insbesondere aus 7 ersichtlich
ist, sind die Flächenanschnitte 30 dabei
auf dem gleichen Radius gebildet, welcher den Außenumfang des zylindrischen
Bereichs 44 definiert.
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Ansonsten
entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so
dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.