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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzventil eines Dual-Fuel-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine.
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Die
EP 0 982 493 B1 offenbart ein Verfahren zu Herstellen einer Brennstoffeinspritzdüse sowie eine solche Brennstoffeinspritzdüse für einen Dieselmotor. In der
WO2004/085 828 A2 ist ein Direkt-Einspritzventil in einem Zylinderkopf beschrieben. Ais der
DE 42 22 137 A1 ist ebenfalls eine Kraftstoff-Einspritzdüse für Dieselbrennkraftmaschinen bekannt. Die Zusammenfassung der
JP S62-20672 A beschäftigt sich mit einem Kraftstoffeinspritzventilzerstäuber.
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Brennkraftmaschinen dienen dazu, die in einem Kraftstoff enthaltene Energie in Bewegungsenergie umzuwandeln. Hierzu weist die Brennkraftmaschine wenigstens einen Brennraum auf, in dem der Kraftstoff verbrannt wird. Die bei der Verbrennung entstehende Volumenausdehnung wird anschließend in eine rotatorische Drehbewegung übersetzt. Um ein zündfähiges und effizientes Gemisch für den Verbrennungsvorgang zu erhalten, wird der Kraftstoff zuvor mit Umgebungsluft, insbesondere mit dem darin enthaltenen Sauerstoff (O2) vermischt.
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War es bei Kraftfahrzeugen bis vor einiger Zeit noch üblich, das gewünschte Gemisch mittels eines Vergasers außerhalb des Brennraums bereitzustellen, herrschen heute moderne Einspritzsysteme vor, welche den Kraftstoff direkt in den mit Luft befüllten Brennraum einbringen. Auf diese Weise findet die Gemischbildung nunmehr nahezu ausschließlich innerhalb des Brennraums statt. Insofern unterscheiden sich die Brennkraftmaschinen heutiger Kraftfahrzeuge im Wesentlichen nur noch in Fremdzünder und Selbstzünder. Dabei gelten Ottomotoren als Fremdzünder. Bei ihnen wird das im Brennraum befindliche Gemisch zunächst verdichtet und anschließend fremd gezündet, beispielsweise über eine Zündkerze. Demgegenüber werden Dieselmotoren als Selbstzünder bezeichnet. Bei ihnen konzentriert sich die Verdichtung auf die dem Brennraum zugeführte Luft, welche hierdurch einen raschen Temperaturanstieg erfährt. Die dabei erzeugte Temperatur ist ausreichend, um den anschließend in die komprimierte Luft einzuspritzenden Diesel-Kraftstoff selbst zu entzünden.
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Neben den in flüssiger Form mitgeführten Kraftstoffen wie beispielsweise Benzin, Diesel, Flüssiggas (= Autogas, LPG) oder Flüssigerdgas (LNG) finden in Kraftfahrzeugen auch als Gas vorliegende Kraftstoffe Verwendung, beispielsweise in Form von verdichtetem Erdgas (CNG) oder von Wasserstoff (H2). Insbesondere die gasförmig vorliegenden Kraftstoffe CNG und H2 weisen im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen generell das Problem einer nur geringen volumetrischen Energiedichte auf. Da das Platzangebot für das Mitführen von Kraftstoffen generell volumenmäßigen begrenzt ist, ergibt sich folglich eine beschränkte und zumeist relativ geringe Reichweite für mit Gas betriebene Fahrzeuge.
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In diesem Zusammenhang sind Dual-Fuel-Einspritzsysteme bekannt, welche entweder die gleichzeitige oder die abwechselnde Nutzung von Kraftstoffen mit ein und derselben Brennkraftmaschine ermöglichen. So kann beispielsweise durch die gleichzeitige Verwendung von Erdgas (CNG) und Diesel-Kraftstoff eine deutliche Reduzierung des Verbrauchs an Diesel erreicht werden. Weiterhin können derartige Systeme so ausgelegt sein, dass sie beispielsweise zunächst mit Gas betrieben werden und anschließend auf die Verwendung von Diesel umschalten oder umgekehrt. Hierbei werden insbesondere Systeme mit Direkteinspritzung (DI = Direct Injection) oder Saugrohreinspritzung (PFI = Port Fuel Injection) eingesetzt. Deren Unterschied ist darin zu sehen, dass DI-Systeme den Kraftstoff direkt in den Brennraum einbringen, während PFI-Systeme den Kraftstoff noch vor dem Einlassventil jedes Zylinders in das Saugrohr einbringen. Das Einbringen des Kraftstoffs erfolgt dabei jeweils über Einspritzventile.
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Speziell die mit einer Direkteinspritzung (DI) arbeitenden Dual-Fuel-Einspritzsysteme weisen eine hohe thermische Belastung ihrer Einspritzventile auf. Da die Einspritzventile den Kraftstoff direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine einbringen müssen, ist deren Ventilkopf unmittelbar der beim Verbrennungsprozess entstehenden Hitze ausgesetzt. Hierbei ist der Ventilkopf entweder abschnittsweise in dem Brennraum angeordnet oder diesem zumindest unmittelbar zugewandt. In jedem Fall wird der Ventilkopf dabei direkt mit der Verbrennungshitze beaufschlagt.
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Besagte thermische Belastung kann insbesondere in der Zeit zu einem vorzeitigen Verschleiß des Einspritzventils führen, in der die Brennkraftmaschine ohne flüssigen Kraftstoff, sondern mit Gas betrieben wird. So wird während dieser Phase kein flüssiges Medium durch das Einspritzventil hindurch gefördert, welches eine Kühlung bewirken könnte, insbesondere des Ventilkopfes. Hierdurch erreicht der Ventilkopf mitunter sehr hohe Temperaturen, durch welche das Einspritzventil seine erforderlichen mechanischen Eigenschaften verlieren kann.
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Vor diesem Hintergrund bieten Einspritzventile von Dual-Fuel-Einspritzsystemen für Brennkraftmaschine sowie die Dual-Fuel-Einspritzsysteme selbst in Bezug auf ihren mitunter vorzeitigen Verschleiß noch Raum für Verbesserungen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil dahingehend zu verbessern, dass insbesondere der thermisch hoch belastete Ventilkopf des Einspritzventils eine längere Haltbarkeit besitzt.
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Der erste Teil der gegenständlichen Aufgabe wird durch ein Einspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Gemäß der Erfindung wird ein Einspritzventil für ein Dual-Fuel-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine vorgestellt, welches einen Ventilkörper mit einem endseitigen Ventilkopf umfasst. Hierbei ist der Ventilkopf für das Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine vorgesehen. Aus diesem Grund ist der Ventilkopf so ausgebildet, dass dieser im eingebauten Zustand des Einspritzventils in der Brennkraftmaschine zumindest abschnittsweise in dem Brennraum angeordnet ist. Sofern dieser möglichst bündig mit jenen den Brennraum begrenzenden Flächen ausgebildet sein soll, ist der Ventilkopf dem Brennraum zumindest unmittelbar zugewandt. Erfindungsgemäß ist der Ventilkopf zumindest bereichsweise mit einem Hitzeschild beschichtet.
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Der besondere Vorteil liegt in der Anordnung des Hitzeschildes. Der Hitzeschild ist dafür vorgesehen, insbesondere die an sich thermisch hoch belastete Spitze des Einspritzventils, näherhin dessen Ventilkopf gegenüber der Verbrennungshitze im Brennraum abzuschirmen. Durch die Abschirmung über den Hitzeschild wird die maximale Temperatur am Ventilkopf trotz gleich bleibender Verbrennungstemperatur reduziert. Im Ergebnis kann sich der Ventilkopf nunmehr nicht mehr so stark erhitzen, wie es ohne den erfindungsgemäßen Hitzeschild ansonsten der Fall ist. Dabei ist die Ausgestaltung sowie Anordnung des Hitzeschildes so zu wählen, dass hierdurch auch unter Volllast der Brennkraftmaschine die maximal zulässige Temperatur für die Dauerfestigkeit des Einspritzventils nicht überschritten wird.
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Somit handelt es sich bei dem Hitzeschild nicht um ein zusätzliches Bauteil, sondern um eine aufgebrachte Schicht aus einem formlosen Werkstoff. Dabei kann die Beschichtung je nach Anforderung chemisch, mechanisch, thermisch oder thermomechanisch erfolgen. Insofern handelt es sich dann beim dem Einspritzventil, näherhin beim dem Ventilkopf des Einspritzventils um das Substrat, welches die in Rede stehende Beschichtung aufnimmt.
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Hier ist der besondere Vorteil in einer einfachen und kostengünstigen Fertigung zu sehen. Überdies richtet sich die äußere Gestalt des Hitzeschildes nach der äußeren Gestalt des Ventilkopfes. Alternativ hierzu kann der Hitzeschild auch in der Form an den Ventilkopf modelliert sein, dass der Hitzeschild über eine geeignete Form um den Ventilkopf herum angeordnet wird. Dabei gibt die besagte Form dem Hitzeschild seine äußere Kontur. Je nach verwendetem Verfahren und Werkstoff für den Hitzeschild muss dieser anschließend beispielsweise durch Wärme ausgehärtet werden. Selbstverständlich kann der Werkstoff für den Hitzeschild auch heiß aufgebracht werden, welcher durch anschließende Abkühlung dann irreversibel aushärtet.
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Besonders bevorzugt kann der Hitzeschild derart ausgebildet sein, dass dieser zumindest bereichsweise an den Ventilkopf formangepasst ist. Im Ergebnis lässt sich so eine möglichst schlanke Ausgestaltung des Hitzeschildes erreichen. Dies ist deshalb erforderlich, da das Einspritzventil in der Regel zumindest abschnittsweise in einem dünnen Kanal in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine abgeordnet ist. Der Kanal muss insbesondere aus dem Grund einen möglichst kleinen Durchmesser besitzen, um eine Wandung des Zylinderkopfs nicht unnötig zu schwächen und den übrigen Anordnungen wie beispielsweise Ein- und Auslassventil genügend Raum zu lassen.
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Unabhängig von der Art und Form sowie des verwendeten Werkstoffs für den Hitzeschild wird es als besonders vorteilhaft erachtet, wenn der Hitzeschild wenigstens eine Durchgangsöffnung besitzt. Besagte Durchgangsöffnung ist dafür vorgesehen, dass der in den Brennraum einzubringende Kraftstoff durch diese hindurch eingespritzt werden kann. Hierbei weist der Ventilkopf des Einspritzventils eine entsprechende Ventilöffnung auf, welche über eine geeignete Anordnung gegenüber dem Kraftstoff öffenbar und verschließbar ist.
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Um nun das Einspritzen durch die Ventilöffnung des Ventilkopfes und die Durchgangsöffnung in dem Hitzeschild hindurch in den Brennraum zu ermöglichen, können die Durchgangsöffnung und die Ventilöffnung des Ventilkopfes miteinander fluchten. Hierdurch ergibt sich ein vorteilhafter durchgehender Kanal.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist angedacht, dass der Hitzeschild zumindest teilweise aus einem keramischen Werkstoff gebildet sein kann. Der besondere Vorteil besteht hierbei in einer einfachen Herstellung bei gleichzeitig hoher Festigkeit gegenüber hohen Temperaturen. Zudem liefert eine keramische Beschichtung eine überaus gute Oberflächenbeschaffenheit, welche auch nach längerem Einsatz keine dauerhafte Möglichkeit für sich schichtweise aufbauende Rückstände liefert.
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Die vorliegende Erfindung zeigt ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Einspritzventil im Bereich seines Ventilkopfes. So besitzt das im Bereich seines Ventilkopfes mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild ausgestattete Einspritzventil eine deutlich längere Haltbarkeit. Weiterhin ist der Hitzeschild leicht herstellbar und ermöglicht neben seiner langen Haltbarkeit eine Herabsetzung der thermischen Belastung an der Spitze des Einspritzventils.
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Es wird ferner ein Dual-Fuel-Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem solchen Einspritzventil aufgezeigt. Dieses wird bevorzugt zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Hierfür ist das erfindungsgemäße Dual-Fuel-Einspritzsystem dazu ausgebildet, entweder einen gasförmigen Kraftstoff oder einen flüssigen Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einzubringen. Dabei umfasst das Dual-Fuel-Einspritzsystem mindestens ein Einspritzventil gemäß der zuvor beschriebenen Art. Besagtes Einspritzventil weist einen Ventilkörper auf, welcher einen Ventilkopf besitzt. Der Ventilkopf ist dazu ausgebildet, um im eingebauten Zustand des Einspritzventils in der Brennkraftmaschine zumindest abschnittsweise in dem Brennraum angeordnet oder diesem zumindest unmittelbar zugewandt zu sein. Erfindungsgemäß ist der Ventilkopf zumindest bereichsweise mit einem Hitzeschild beschichtet.
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Die sich daraus ergebenden Vorteile wurden bereits zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine erläutert und gelten für das erfindungsgemäße Dual-Fuel-Einspritzsystem entsprechend. Aus diesem Grund wird an dieser Stelle auf die vorherigen Ausführungen hierzu verwiesen.
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Weiterhin wird ein Verfahren aufgezeigt, mit welchem sich ein verbessertes Einspritzventil für das zuvor aufgezeigte Dual-Fuel-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine herstellen lässt. Besagtes Einspritzventil umfasst einen Ventilkörper mit einem Ventilkopf, welcher dazu ausgebildet ist, um im eingebauten Zustand des Einspritzventils zumindest abschnittsweise in einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet oder diesem zumindest unmittelbar zugewandt zu sein. Erfindungsgemäß wird der Ventilkopf des Einspritzventils zumindest bereichsweise mit einem Hitzeschild beschichtet.
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Die sich daraus ergebenden Vorteile wurden bereits zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Einspritzventil sowie dem erfindungsgemäßen Dual-Fuel-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem solchen Einspritzventil erläutert und gelten für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines solchen Einspritzventils entsprechend. In diesem Zusammenhang ist somit denkbar, dass bereits bestehende Einspritzventile nachträglich mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild ausgerüstet werden können, um dessen vorteilhafte Eigenschaften mit den restlichen Bauteilen zu einem verbesserten Einspritzventil oder Dual-Fuel-Einspritzsystem mit einem solchen Einspritzventil zu Kombinieren.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von unterschiedlichen, in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Einspritzventils in einer Seitenansicht sowie
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2 das Einspritzventil aus 1 mit Blick auf dessen endseitigen Ventilkopf.
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1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Einspritzventils 1 zu entnehmen. Besagtes Einspritzventil 1 ist für die Verwendung in einem nicht näher dargestellten Dual-Fuel-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine vorgesehen. Weiterhin ist eine Wandung 2 eines Zylinderkopfes 3 der nicht weiter gezeigten Brennkraftmaschine gezeigt, durch welche hindurch das Einspritzventil 1 angeordnet ist. Hierbei ragt ein Teilbereich des Einspritzventils 1 in einen Brennraum 4 der Brennkraftmaschine.
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Das Einspritzventil 1 umfasst im Wesentlichen einen Ventilkörper 5. Der dem Brennraum 4 zugewandte, insbesondere zumindest teilweise in diesem angeordnete Abschnitt des Ventilkörpers 5 weist einen Ventilkopf 6 auf. Die unterbrochenen Linien dienen der Verdeutlichung von Kanälen, durch welche hindurch ein Kraftstoff über das Einspritzventil 1 in den Brennraum 4 hinein einspritzbar ist.
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Weiterhin erkennbar ist, dass der Ventilkopf 6 einen diesen umgebenden Hitzeschild 7 aufweist. Der Hitzeschild besteht bevorzugt aus einem keramischen Werkstoff. Um einen für das Einführen des Einspritzventils 1 in die Wandung 2 des Zylinderkopfes 3 notwendigen Außendurchmesser einzuhalten, springt der Außendurchmesser des Ventilkopfes 6 gegenüber dem Ventilkörper 5 zurück. Der zurückspringende Teil des Ventilkopfes 6 ist mit dem Hitzeschild 7 ummantelt, welcher vorliegend in seinem Außendurchmesser dem Außendurchmesser des Ventilkörpers 5 entspricht.
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Wie zu erkennen, weist der Hitzeschild 7 eine in dieser Ansicht von außen sichtbare Durchgangsöffnung 8 auf, aus welcher heraus in nicht näher dargestellter Weise der Kraftstoff in den Brennraum eintreten kann. Um eine Verbindung zu den Kanälen im Inneren des Einspritzventils 1 zu ermöglichen, weist der Ventilkopf 6 ferner Ventilöffnungen 9 auf, welche Fluid leitend mit mehreren Durchgangsöffnungen 8 verbunden sind.
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2 zeigt das Einspritzventil 1 aus 1 mit Blick auf dessen Ventilkopf 6. Um den vorliegenden Blick in Längsrichtung des Einspritzventils 1 möglichst übersichtlich zu gestalten, wurden etwaige Andeutungen der Wandung 2 des Zylinderkopfes 3 sowie der außerhalb des Brennraums 4 gelegene und in 1 verdickt dargestellte Endbereich des Einspritzventils 1 weggelassen.
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Wie zu erkennen, handelt es sich hierbei um eine alternative Ausgestaltung des Einspritzventils 1, wobei dessen Ventilöffnungen 9 nicht radial nach außen, sondern stirnseitig des Ventilkopfes 6 angeordnet sind. In dieser Variante ist ein Stirnbereich 10 des Ventilkopfes 6 frei von dem Hitzeschild 7. Weiterhin sind die Ventilöffnungen 9 mit einer Anzahl von sechs in radial gleichem Abstand zu einer zentralen Längsachse x des Einspritzventils 1 um diese herum verteilt. Dabei weisen sie einen gleichbleibenden Abstand unter sich auf, so dass sie jeweils um einen gleichen Winkel a zueinander versetzt angeordnet sind.
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Der Hitzeschild 7 ist vorliegend nur umfangsseitig um den Ventilkopf 6 herum angeordnet. Durch diese Ausgestaltung des Hitzeschildes 7 weist dieser erfindungsgemäß eine Ringstruktur auf. In Kombination mit den stirnseitig aus dem Ventilkopf 6 austretenden Ventilöffnungen 9 bedarf es keiner zusätzlichen Durchgangsöffnungen 8 in dem Hitzeschild 7, da der Kraftstoff durch besagte Ventilöffnungen 9 hindurch direkt in den Brennraum 4 einspritzbar ist. Je nach verwendetem Material sowie verwendetem Verfahren zur Herstellung des Hitzeschildes 7 ist somit denkbar, dass dieser insbesondere in der hier gezeigten Ringform als fertiges Element auf den Ventilkopf 6 des Einspritzventils 1 aufgeschoben bzw. aufgepresst ist. Selbstverständlich kann es sich auch bei dieser Ausführungsvariante um eine Beschichtung handeln, welche den Hitzeschild 7 bilden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einspritzventil
- 2
- Wandung von 3
- 3
- Zylinderkopf
- 4
- Brennraum
- 5
- Ventilkörper von 1
- 6
- Ventilkopf von 1
- 7
- Hitzeschild von 1
- 8
- Durchgangsöffnung in 7
- 9
- Ventilöffnung in 6
- 10
- Stirnbereich von 6
- a
- Winkel zwischen 9
- x
- Längsachse von 1
