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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein bekanntes Kraftstoff- oder Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einspritzen von Kraft- oder Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine (
DE 101 08 945 A1 ) weist einen mit einem Ventilsitzkörper endseitig abgeschlossenen, hohlen Düsenkörper auf, in dem eine vom Ventilsitzkörper begrenzte und mit einem Kraft- oder Brennstoffzulauf in Verbindung stehende Ventilkammer ausgebildet ist. Der Ventilsitzkörper ist mit einer in der Ventilkammer mündenden Abspritzöffnung versehen, deren Mündungsbereich von einer Ventilsitzfläche umschlossen ist. Ein von einem Elektromagneten und einer Ventilschließfeder beaufschlagtes Ventilglied trägt endseitig einen Schließkopf, der mit der Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Mit Ansteuerung des Elektromagneten wird das Ventilglied gegen die Rückstellkraft der Ventilschließfeder axial verschoben, und der Schließkopf gibt die Abspritzöffnung zum Abspritzen einer dosierten Kraft- oder Brennstoffmenge aus der Ventilkammer frei. Mit Wegfall der Ansteuerung des Elektromagneten wird der Schließkopf durch die Ventilschließfeder unter Schließen der Abspritzöffnung wieder auf die Ventilsitzfläche aufgedrückt.
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Bei Einsatz solcher Einspritzventile in Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen hat es sich gezeigt, dass selbst bei optimierten Brennverfahren des Kraft- oder Brennstoffgemisches im Brennraum der Brennkraftmaschine sich an den Einspritzventilen kraftstoffinduzierte Ablagerungen von Ruß bilden, die schon nach geringer Laufzeit der Brennkraftmaschine zu einer erhöhten Rußpartikelemission im Abgas führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die erfindungsgemäße, im Ventilglied integrierte Luftspülvorrichtung für einen dem Ende des einzelnen Einspritzvorgangs unmittelbar folgenden Moment aus dem Schließkopf heraus ein Luftstrom durch die Ventilöffnung hindurchgespült wird, der für einen vollständigen Austritt des Kraftstoffs aus der Ventilöffnung sorgt. Dadurch wird eine disruptive Unterbrechung des Kraftstoffflusses im Moment des Schließens des Ventils vermieden, und der Eigenimpuls des abgespritzten Kraftstoffs bleibt bis zum Abriss an der äußeren Kante der Ventilöffnung erhalten. Durch die damit erzielte, im Vergleich zu der bei disruptiver Unterbrechung des Kraftstoffflusses deutlich niedrigere Oberflächenadhäsion am Ventilkörper können keine Kraftstoffreste an der Ventilöffnung festgehalten werden, so dass auch bei der anschließenden Verbrennung keine Rußrückstände entstehen, die später zu einer Partikelemission führen.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Kraftstoffeinspritzventils möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Luftspülvorrichtung einen in der Ventilnadel verlaufenden Luftzufuhrkanal, der mit gefilterter, unter Atmosphärendruck stehender Luft beaufschlagt ist, und ein an dem Luftzufuhrkanal angeschlossenes, unbelastetes Rückschlagventil auf, das im Schließkopf koaxial zur Ventilöffnung mit zur Ventilöffnung weisender Durchlassrichtung bzw. mit zum Luftzufuhrkanal weisender Sperrrichtung angeordnet ist. Das Rückschlagventil wird bei dem zum Einspritzen einer Kraftstoffmenge erfolgenden Öffnen des Ventils durch den an der Ventilöffnung auftretenden Kraftstoffdruck geschlossen und beim Schließen des Ventils durch den vom Austrittsimpuls in der Ventilöffnung erzeugten kurzzeitigen Unterdruck geöffnet, so dass für einen kurzen Moment Luft aus dem Schließkopf heraus durch die Ventilöffnung hindurch gesaugt und somit die Ventilöffnung mit Luft nachgespült wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Rückschlagventil eine im Schließkopf ausgebildete Kaverne mit einer zur Ventilöffnung weisenden ersten Kavernenöffnung und einer mit der Austrittsöffnung des Luftzufuhrkanals kongruenten zweiten Kavernenöffnung sowie eine die zweite Kavernenöffnung umschließende Sitzfläche und ein bewegliches, vorzugsweise massekleines Ventilelement auf, das mit der Sitzfläche einen Dichtsitz bildet. Damit wird eine vorteilhafte konstruktive Ausbildung des Rückschlagventils erzielt, die der Integration in das in der Regel baukleine Ventilglied entgegenkommt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilelement kugel- oder zylinderförmig ausgebildet und liegt in der Kaverne axial verschieblich ein. Die Sitzfläche an der zweiten Kavernenöffnung weist Konusform auf, und die erste Kavernenöffnung ist mit einem Axialanschlag für das Ventilelement versehen. Bei der Ausbildung des Ventilelements als Zylinder werden vorzugsweise die beiden Zylinderenden konusförmig ausgeführt, so dass das Ventilelement einen zuverlässigen Dichtsitz mit der die zweite Kavernenöffnung umschließenden Sitzfläche bildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht die Ventilöffnung aus einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Spritzlöchern, die jeweils einen Lochein- und Lochauslass aufweisen, wobei die Spritzlöcher so in den Ventilkörper eingebracht sind, dass die Locheinlässe der Spritzlöcher innerhalb des Öffnungsquerschnitts der ersten Kavernenöffnung liegen. Um eine zuverlässige Funktion des Rückschlagventils sicherzustellen sind bei einem Kraftstoffdruck in der Ventilkammer von mindestens 40 bar die Spritzlöcher mit einer Lochlänge von kleiner als 2mm ausgeführt. Die Abmessungen der Kaverne sind so festgelegt, dass bei an der Sitzfläche dichtendem Ventilelement das freie Kavernenvolumen mit maximal 10% der aus der Ventilkammer jeweils abgespritzten Kraftstoffmenge gefüllt wird. Mit diesen konstruktiven Ausführungen von Spritzlöcher und Kaverne wird auch bei kleinsten Einspritzmengen pro Einspritzvorgang und niedrigen Kraftstoffdrücken in der Ventilkammer eine Luftnachspülung nach Beendigung eines jeden einzelnen Einspritzvorgangs zuverlässig gewährleistet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ausschnittweise einen Schnitt des brennraumseitigen Endes eines Ventils zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine im geöffneten Zustand des Ventils während des Einspritzvorgangs,
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2 ausschnittweise eine Unteransicht in Richtung Pfeil II in 2 des Schließkopfs des Ventilglieds im Ventil gemäß 1,
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3 eine gleiche Darstellung wie in 1 unmittelbar nach Beendigung des Einspritzvorgangs durch Schließen des Ventils.
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Das in 1 während eines Einspritzvorgangs geöffnet und in der 3 unmittelbar nach Ende des Einspritzvorgangs geschlossen, jeweils ausschnittweise dargestellte Ventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine weist einen in den Brennraum hineinragenden Ventilkörper 11 auf, in dem eine Ventilkammer 12 und eine mit der Ventilkammer 12 in Verbindung stehende Ventilöffnung 13 ausgebildet sind. Die Ventilkammer 12 ist an einem Kraftstoffzufluss angeschlossen, der in 1 und 3 durch einen Pfeil 14 symbolisiert ist, so dass die Ventilkammer 12 mit unter Druck von mindestens 40 bar stehendem Kraftstoff gefüllt ist. Die Ventilöffnung 13 ist von einem am Ventilkörper 11 ausgebildeten Ventilsitz 15 umschlossen. Zur Steuerung der Ventilöffnung 13 ist üblicherweise ein Ventilglied 16 vorhanden, das eine langgestreckte Ventilnadel 17 und einen endseitig an der Ventilnadel 17 angeformten, vorzugsweise kugelförmigen Schließkopf 18 umfasst, der mit dem Ventilsitz 15 einen Dichtsitz bildet. Wie allgemein bekannt und hier nicht weiter dargestellt ist, ist das Ventilglied 16 von einer an der Ventilnadel 17 angreifenden Ventilschließfeder belastet, die den Schließkopf 18 auf den Ventilsitz 15 aufdrückt, und an einem an der Ventilnadel 17 angreifenden elektrischen Aktor, z. B. einem Elektromagneten, angekoppelt, der bei Aktivierung den Schließkopf 18 gegen die Kraft der Ventilschließfeder vom Ventilsitz 15 abhebt, so dass die Ventilöffnung 13 zum Abspritzen von Kraftstoff aus der Ventilkammer 12 freigegeben ist.
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Das Ventilglied 16 ist mit einer Luftspülvorrichtung versehen, die am Ende eines jeden Einspritzvorgangs mit Aufsetzen des Schließkopfs 18 auf den Ventilsitz 15 aktiviert wird und kurzzeitig einen aus dem Schließkopf 18 heraus- und durch die Ventilöffnung 13 hindurchtretenden Spülluftstrom erzeugt. Hierzu weist die Vorrichtung einen in der Ventilnadel 17 verlaufenden Luftzufuhrkanal 19 und ein im Schließkopf 18 integriertes, unbelastetes Rückschlagventil 20 auf. Das Rückschlagventil 20 ist koaxial im Schließkopf 18 mit zur Ventilöffnung 13 weisender Durchlassrichtung bzw. zum Luftzufuhrkanal 19 weisender Sperrrichtung angeordnet und an dem Luftzufuhrkanal 19 angeschlossen. Der Luftzufuhrkanal 19 ist mit gefilterter, unter Atmosphärendruck stehender Luft beaufschlagt, was in 1 und 3 durch Pfeil 21 symbolisiert ist.
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Zur Realisierung des miniaturisierten Rückschlagventils 20 ist in dem zur Ventilöffnung 13 weisenden vorderen Bereich des Schließkopfs 18 eine zur Achse des Ventilglieds 16 koaxiale Kaverne 22 ausgebildet, die eine zur Ventilöffnung 13 weisende erste Kavernenöffnung 221 und eine die Kanalmündung des Luftzufuhrkanals 19 bildende bzw. mit dieser kongruente zweite Kavernenöffnung 222 aufweist. Ein bewegliches, massekleines Ventilelement 23 bildet mit einer im Schließkörper 18 um die zweite Kavernenöffnung 222 herum ausgebildeten Sitzfläche 24 einen Dichtsitz, der den Luftdurchlass vom Luftzufuhrkanal 19 zur Kaverne 22 blockiert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das massekleine Ventilelement 23 kugelförmig und liegt axial verschiebbar in der Kaverne 22 ein. Die Sitzfläche 24 an der zweiten Kavernenöffnung 222 ist konusförmig ausgebildet, und die erste Kavernenöffnung 221 ist mit einem Axialanschlag 25 (2) versehen. Im Ausführungsbeispiel ist der Axialanschlag 25 durch drei um 120° gegeneinander versetzte Rippen 26 (2) realisiert, die an der Kavernenwand befestigt sind und sich von der ersten Kavernenöffnung 221 nach innen hin verjüngen (1 und 3). Alternativ kann das Ventilelement 23 auch zylinderförmig ausgeführt werden, wobei die beiden Enden des Zylinders jeweils mit einem Konus versehen sind.
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Die Ventilöffnung 13 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel des Ventils durch eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Spritzlöchern 27 realisiert, die jeweils einen Locheinlass 271 und einen Lochauslass 272 aufweisen. Die Spritzlöcher 27 sind so in den Ventilkörper 11 integriert, dass ihre Locheinlässe 271 auf einer Kreislinie, einem sog. Lochkreis, äquidistant angeordnet sind und innerhalb des Öffnungsquerschnitts der ersten Kavernenöffnung 221 liegen. Die Lochlänge der Spritzlöcher 27 ist kleiner als 2mm bemessen. Die Abmessungen der Kaverne (axiale Länge und Durchmesser) sind so festgelegt, dass bei an der Sitzfläche 24 dichtendem Ventilelement 23 (1) das vor dem Dichtsitz vorhandene freie Kammervolumen mit maximal 10 % der aus der Ventilkammer 12 bei jedem Einspritzvorgang jeweils abgespritzten Kraftstoffmenge gefüllt werden kann.
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Die Funktionsweise der Luftspülvorrichtung ist wie folgt:
Zum Einspritzen einer dosierten Kraftstoffmenge in den Brennraum der Brennkraftmaschine wird das Ventil geöffnet. Hierzu wird der elektrischen Aktor aktiviert, der den Schließkopf 18 vom Ventilsitz 15 abhebt, so dass der Kraftstofffluss in Richtung Ventilöffnung 13 freigegeben ist und Kraftstoff über die Spritzlöcher 27 in den Brennraum eingespritzt wird. Durch den in der Ventilöffnung 13 sich einstellenden Kraftstoffdruck wird das Ventilelement 23 in seine Schließposition hin zur Sitzfläche 24 an der zweiten Kavernenöffnung 222 bewegt und unterbricht mit Aufsetzen auf der Sitzfläche 24 die Verbindung der Kaverne 22 zum Luftzufuhrkanal 19. Der Kraftstoffdruck in der Ventilöffnung 13 bleibt somit erhalten. Am Ende des Einspritzvorgangs wird mit Schließen des Ventils durch Aufsetzen des Schließkopfs 18 auf den Ventilsitz 15 der Kraftstofffluss unterbrochen. Es befindet sich aber eine Kraftstoff-Restmenge im Bereich der Ventilöffnung 13 und in dem mit diesem in Verbindung stehenden, dem Ventilelement 23 vorgelagerten Bereich in der Kaverne 22. Durch den bestehenden Austrittsimpuls des Kraftstoffs im Bereich der Ventilöffnung 13, also in den Spritzlöchern 27, entsteht ein Unterdruck, wodurch das Ventilelement 23 in Richtung Ventilöffnung 13 gesaugt wird. Der Dichtsitz des Ventilelements 23 an der Sitzfläche 24 wird aufgehoben und aufgrund des bestehenden, momentanen Unterdrucks kann Luft aus dem Luftzufuhrkanal 19 durch die Kaverne 22 und durch die Ventilöffnung 13 strömen. Hierdurch werden die Spritzlöcher 27 für einen kurzen Moment nach Beendigung des Einspritzvorgangs mit Luft nachgespült. Diese Luftspülung vermeidet die disruptive Unterbrechung des Kraftstoffflusses beim Schließen des Ventils, und der Eigenimpuls des Kraftstoffs bleibt bis zum Abriss von den Lochauslässen 272 der Spritzlöcher 27 weitgehend erhalten. Durch die dadurch deutlich reduzierte Oberflächenadhäsion am Ventilkörper 11 können keine Kraftstoffreste an den Kanten der Lochauslässe 272 der Spritzlöcher 27 haften bleiben, so dass bei der anschließenden Verbrennung der in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge keine kraftstoffinduzierten Rußrückstände an der Ventilöffnung 13 entstehen können, die später zu der eingangs erwähnten Partikelemission führen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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