DE102015207629A1

DE102015207629A1 - Einspritzventil für Flüssigkeiten und Verfahren

Info

Publication number: DE102015207629A1
Application number: DE102015207629.6A
Authority: DE
Inventors: Nikola Jovicic
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2016-10-27

Abstract

Ein Einspritzventil (1) für Flüssigkeit, das insbesondere als Brennstoffinjektor für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen ausgebildet ist, umfasst einen Aktor (8) und einen Ventilschließkörper (16), der von dem Aktor (8) betätigbar ist und der mit einem Ventilsitz (15) am Dichtsitz (20) zusammen wirkt. Eine Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) basiert auf einer kugeloberflächenförmigen Ausgestaltung. Der Ventilschließkörper (16) weist an seiner Oberfläche (30) Störstellen (28, 29) auf. Die Störstellen (28, 29) sind in Teilen (33, 34) der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) angeordnet, an die bei geöffnetem Dichtsitz (20) eine Strömung der Flüssigkeit geführt ist. Ferner ist ein Verfahren zum Einspritzen von Flüssigkeiten angegeben, das mit solch einem Einspritzventil (1) durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für Flüssigkeiten, insbesondere einen Brennstoffinjektor für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, und ein Verfahren zum Einspritzen von Flüssigkeiten, das mit solch einem Einspritzventil durchgeführt wird. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von Kraftfahrzeugen.
Aus der DE 101 04 016 A1 ist ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten bekannt. Das bekannte Ventil weist ein in einem Ventilkörper axial bewegbares Ventilglied auf, welches mit einem Ventilschließglied zum Öffnen und Schließen des Ventils zusammen wirkt. Hierbei wirkt das kugelartige Ventilschließglied mit einem an dem Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz zusammen, wobei das Ventilschließglied einen Niederdruckbereich von einem Hochdruckbereich trennt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Einspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind. Insbesondere kann eine kontrollierte Beeinflussung einer Strömungsablösung herbeigeführt und damit das Verhalten der Strömung zu und in Spritzlöcher gestaltet werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Einspritzventils und des im Anspruch 10 angegebenen Verfahrens möglich.
Das Einspritzventil kann als Kugelsitz-Ventil bei der Einspritzung von Brennstoff in einen Motor, aber auch darüber hinaus bei anderen Anwendungen zum Einsatz gebracht werden. Der Ventilschließkörper kann hierbei über eine Ventilnadel betätigt werden, die auf geeignete Weise mit dem Ventilschließkörper verbunden ist oder die einstückig mit dem Ventilschließkörper ausgebildet ist. Der Ventilschließkörper öffnet oder schließt den Strömungspfad, indem er durch eine aufgebrachte Kraftwirkung aus dem Sitz gehoben bzw. in den Sitz gepresst wird. Speziell kann hierbei ein Ventilnadelkopf der Ventilnadel als Kugel oder auf andere Weise als Voll- oder Teilkugel ausgeführt sein. Zum Schließen des Ventils wird der Ventilschließkörper auf den Ventilsitz gepresst, so dass der Strömungspfad vom Zulauf des Ventils zu zumindest einem Spritzloch verschlossen ist. Hierbei sind vorzugsweise mehrere Spritzlöcher vorgesehen. Es stellt sich dabei eine Liniendichtung zwischen dem kugelförmigen Ventilschließkörper und dem Sitz (Ventilsitz) ein.
Durch eine gezielte Einbringung von geometrischen Störungen in die Oberfläche des Ventilschließkörpers, insbesondere der dem Ventilsitz zugewandten Seite, die zu den Spritzlöchern zeigt, kann eine kontrollierte Beeinflussung der Strömungsablösung herbeigeführt und damit das Verhalten der Strömung zu den und in die Spritzlöcher gestaltet werden.
Somit hat die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 den Vorteil, dass ein verbessertes Verhalten der Strömung erreicht werden kann. Bei Kugelventilen ohne Störstellen sorgt die stetig gekrümmte Kugeloberfläche des kugelförmigen Ventilschließkörpers in Strömungsrichtung hinter der Liniendichtung des Dichtsitzes bei geöffnetem Ventil für eine undefinierte Ablösung der Strömung von der Kugeloberfläche. Die genaue Position der Ablösestelle der Strömung variiert dann über einen gewissen Bereich stromauf- und stromabwärts. Es kommt dann zu periodischen Schwankungen der Strömung im Sitzbereich des Ventils, wodurch zum einen die Strömung in den Spritzlöchern ebenfalls deutlichen Schwankungen unterliegt und zum anderen die Ventilnadel zu Schwingungen angeregt wird. Somit kann durch die vorteilhafte Weiterbildung gerade solch ein Variieren am Sitzbereich des Ventilsitzes eingeschränkt oder die Ablösung gezielt durch die Störstelle auf einem Punkt gelegt werden.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 hat den Vorteil, dass sich die Wirkung der Störstelle auf das zumindest eine nachgeordnete Spritzloch auswirkt. Hierbei sind zum einen Ausgestaltungen denkbar, bei denen die Strömung in Bezug auf jedes Spritzloch beeinflusst ist. Zum anderen sind Ausgestaltungen möglich, bei denen gezielt nur für einen Teil der Spritzlöcher eine Beeinflussung der Strömung über ein oder mehrere Störstellen erzielt wird. Bei den vorteilhaften Ausgestaltungen nach Anspruch 4 und 5 können somit für einen Teil der Spritzlöcher gezielt ein oder mehrere Störstellen realisiert sein, die die Strömung zu beziehungsweise in die Spritzlöcher beeinflussen, während für einen anderen Teil das herkömmliche Verhalten realisiert werden kann.
Die Weiterbildung nach Anspruch 6 hat den Vorteil, dass durch die Störstelle die Ablösestelle definiert ist, wodurch Variationen im Abspritzverhalten bezüglich des zumindest einem betroffenen Spritzlochs entfallen.
Vorteilhaft kann allerdings auch eine Ausgestaltung sein, bei der eine gewisse Unschärfe beziehungsweise Variation bezüglich des Ablösepunkts erhalten bleibt, aber eingeschränkt ist, wie es in vorteilhafter Weise gemäß Anspruch 7 realisiert werden kann.
Die gezielte Einbringung von geometrischen Störungen kann über Kerben, Stufen und/oder Nuten in der Oberfläche des Ventilschließkörpers realisiert werden, wie es auch gemäß den vorteilhaften Weiterbildungen nach Anspruch 8 und/oder Anspruch 9 konkretisiert ist. Diese Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass je nach Anwendungsfall die Geometrie, insbesondere hinsichtlich der Breite der geometrischen Störung, anpassbar ist. Dies kann dabei auch individuell für jedes einzelne Spritzloch umgesetzt werden. Ferner kann durch die Länge einer Kerbe, Stufe oder Nut auch eine selektive Einschränkung des Wirkungsbereichs erzielt werden, um das Strömungsverhalten gezielt für bestimmte Spritzlöcher zu beeinflussen. Dadurch kann das Abspritzbild des Brennstoffstrahls, insbesondere die Eindringtiefe, bei sonst gleichen Bedingungen geformt werden. Insbesondere kann die Eindringtiefe des Brennstoffstrahls erhöht werden. Das Einspritzventil für Flüssigkeiten kann insbesondere als Hochdruck-Einspritzventil für die Brennstoffeinspritzung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren, zur Anwendung kommen.
Die Ablösung der Strömung von der Oberfläche des Ventilschließkörpers ist bei kugelförmiger Ausgestaltung nicht klar definiert, wenn keine Störstelle vorgesehen ist. Aufgrund der stetig gekrümmten Kugeloberfläche kommt es zu einer Schwankung der genauen Ablösestelle von der Oberfläche. Infolgedessen ist die Strömung in den betroffenen Spritzlöchern ebenfalls deutlichen Schwankungen unterworfen, was sich schließlich auch auf das Verhalten des aus den diesbezüglichen Spritzlöchern austretenden Brennstoffstrahls auswirkt. Eine stärker schwankende Strömung im Spritzloch führt tendenziell zu einem eher breiten Spray und einer damit verbundenen kürzeren Eindringtiefe. Dies kann gegebenenfalls für einen Teil der Spritzlöcher realisiert werden, in dem diese nicht im Einflussbereich einer Störstelle liegen.
Eine Stabilisierung der Strömung lässt sich herbeiführen, indem die Ablösestelle an der Oberfläche des Ventilschließkörpers durch Einbringen der Störstelle, insbesondere einer geometrischen Kante, an einer geeigneten Stelle fixiert wird. Diese Kante kann an einer Nut, Kerbe oder Stufe ausgeführt sein. Wesentlich ist, dass diese geometrische Maßnahme an einer wirkungsvollen Position angebracht ist, die im Schwankungsbereich der Ablösestelle im Fall ohne solch einer Störung liegt. Durch die Wahl der genauen Position ist es möglich, solche Schwankungen nahezu vollständig zu eliminieren oder aber Teilschwankungen zuzulassen. Dies kann gegebenenfalls nur für einen Teil der Spritzlöcher oder auch für alle Spritzlöcher realisiert werden.
Somit ist es auch möglich, eine solche stabilisierende Maßnahme selektiv für einzelne Spritzlöcher vorzusehen. Dafür kann das Einbringen einer entsprechenden geometrischen Kante, insbesondere einer Kerbe, Nut oder Stufe, lediglich auf das betreffende Spritzloch oder Spritzlochsegment beschränkt werden. Dadurch kann die Strömung in einzelnen Spritzlöchern gezielt stabilisiert werden, während in anderen Spritzlöchern eine diesbezüglich stärker schwankende Strömung zugelassen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Einspritzventil für Flüssigkeiten in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Einspritzventil 1 für Flüssigkeiten, das insbesondere als Brennstoffinjektor (Brennstoffeinspritzventil) 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen dient. Solch ein Brennstoffinjektor 1 kann insbesondere für Brennstoffeinspritzanlagen von Kraftfahrzeugen dienen. Bei solch einer Anwendung kann über das Brennstoffeinspritzventil 1 Brennstoff in einen Brennraum 2 einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Somit eignet sich solch ein Brennstoffinjektor 1 insbesondere zur Direkteinspritzung von Brennstoff. Das Einspritzventil 1 eignet sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.
Das Einspritzventil 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das in diesem Ausführungsbeispiel mehrteilig ausgestaltet ist. Das Gehäuse 3 umfasst hierbei einen Düsenkörper 4, an dem eine Ventilsitzfläche 5 ausgebildet ist. Ferner sind an dem Düsenkörper 4 Spritzlöcher 6, 7 vorgesehen.
Innerhalb des Gehäuses 3 ist ein Aktor 8 angeordnet, der insbesondere als piezoelektrischer Aktor 8 ausgebildet sein kann. Über den Aktor 8 ist direkt oder indirekt eine Betätigung einer Ventilnadel 10 möglich. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine vereinfacht dargestellte, hydraulische Betätigungseinrichtung 11 vorgesehen, bei der über den Aktor 8 ein Steuerraumdruck in einem Steuerraum 13 gesteuert wird. Der Steuerraumdruck im Steuerraum 13 beaufschlagt eine Stirnfläche 14 der Ventilnadel 10, wodurch die Ventilnadel 10 in Abhängigkeit von dem Steuerdruck in einer Schließrichtung 15 beaufschlagt wird.
Über die Ventilnadel 10 ist ein Ventilschließkörper 16 betätigbar. Der Ventilschließkörper 16 basiert auf einer kugelförmigen Ausgestaltung. Der Ventilschließkörper 16 kann hierbei mit der Ventilnadel 10 verbunden oder auch einstückig mit der Ventilnadel 10 ausgestaltet sein.
Durch unterbrochen dargestellte Linien 17, 18 ist veranschaulicht, wo sich entlang einer Achse 19, die parallel zu der Schließrichtung 15 ist, der kürzeste Abstand zwischen dem Ventilschließkörper 16 und der Ventilsitzfläche 5 befindet. Hierdurch ist bei geschlossenem Einspritzventil 1 eine Liniendichtung 20 entsprechend einem an der Achse 19 ausgerichteten Kreis 20 an der Ventilsitzfläche 5 vorgegeben, an dem der Ventilschließkörper 16 mit einem durch die Ventilsitzfläche 5 gegebenen Ventilsitz 5 zu einem Dichtsitz 20 zusammen wirkt.
Somit kann ein als Kugel-Sitz-Ventil 1 ausgebildetes Einspritzventil 1 realisiert werden. Die Ventilnadel 10 und der mit ihr verbundene Ventilschließkörper (Ventilnadelkopf) 16 werden entlang der Achse 19 bewegt. Das Einspritzventil 1 ist verschlossen, wenn der Ventilschließkörper 16 auf den Ventilsitz 5 gepresst wird. Bei geöffnetem Einspritzventil 1 strömt das Fluid (Flüssigkeit), insbesondere ein Brennstoff, von einer Zuströmung 25 in Richtung des Ventilsitzes 5 und schließlich in die Spritzlöcher 6, 7.
Zur Stabilisierung der Strömung in Einlaufbereichen 26, 27 der Spritzlöcher 6, 7 sind Störstellen 28, 29 an einer Oberfläche 30 des Ventilschließkörpers 16 vorgesehen. Hierdurch ergeben sich geometrische Kanten 31, 32 am Ventilschließkörper 16. Die Störstellen 28, 29 sind hierfür in diesem Ausführungsbeispiel als Vertiefungen 28, 29 ausgebildet. Die geometrischen Kanten 31, 32 sind hierbei in Strömungsrichtung hinter den Linien 17, 18 beziehungsweise der Liniendichtung 20 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel befinden sich die geometrischen Kanten 31, 32 somit unterhalb der Liniendichtung 20 für das geschlossenen Einspritzventil 1.
Hierbei sind je nach Anwendungsfall Varianten in der Ausgestaltung zumindest einer Störstelle 28, 29, insbesondere Vertiefung 28, 29, möglich. Beispielsweise kann auch eine umlaufende Nut 28, 29 vorgesehen seine, so dass für alle Spritzlöcher 6, 7 einschließlich gegebenenfalls weiterer, in der Zeichnung nicht dargestellter Spritzlöcher eine definierte Ablösestelle der Brennstoffströmung vorgegeben ist. Bei einer abgewandelten Ausgestaltung können Störstellen 28, 29 auch nur für bestimmte Segmente ausgeführt sein. Beispielsweise können nur in Teilen 33, 34 der Oberfläche 30 Störstellen 28, 29 vorgesehen sein, während an anderen Teilen 35, 36 keine Störstellen vorgesehen sind, wie es anhand der 1 veranschaulicht ist. Den anderen Teilen 35, 36 sind dann entsprechende Spritzlöcher zugeordnet, zu denen die Strömung so fließt, dass Variationen in der Ablösung von der Oberfläche 30 möglich sind.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10104016 A1 [0002]

Claims

Einspritzventil (1) für Flüssigkeiten, insbesondere Brennstoffinjektor für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem Aktor (8) und einem von dem Aktor (8) betätigbaren Ventilschließkörper (16), der mit einem Ventilsitz (5) zu einem Dichtsitz (20) zusammen wirkt, wobei eine Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) auf einer kugeloberflächenförmigen Ausgestaltung basiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (16) an seiner Oberfläche (30) zumindest eine Störstelle (28, 29) aufweist und dass zumindest eine Störstelle (28, 29) zumindest teilweise in zumindest einem Teil (33, 34) der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) angeordnet ist, an die bei geöffnetem Dichtsitz (20) eine Strömung der Flüssigkeit geführt ist.
Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Störstelle (28, 29) in zumindest einem Teil (33, 34) der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) angeordnet ist, der dem Ventilsitz (5) zugewandt ist.
Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Störstelle (28, 29) in zumindest einem Teil (33, 34) der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) angeordnet ist, der sich von dem Dichtsitz (20) zu zumindest einem Spritzloch (6, 7) erstreckt.
Einspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) zumindest einen Teil (35, 36) aufweist, der sich von dem Dichtsitz (20) zu zumindest einem anderen Spritzloch erstreckt, wobei an dem zumindest einen Teil (35, 36) keine Störstelle vorgesehen ist.
Einspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Störstellen (28, 29) so an der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) ausgebildet sind, dass eine Ablösung der Strömung der Flüssigkeit in Bezug auf das zumindest eine andere Spritzloch zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst ist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Störstelle (28, 29) so an zumindest einem Teil (33, 34) der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) angeordnet ist, dass diese zumindest eine Störstelle (28, 29) eine Ablösestelle (28, 29) der Strömung bezüglich der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) darstellt.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Störstelle (28, 29) so an zumindest einem Teil (33, 34) der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) angeordnet ist, dass diese zumindest eine Störstelle (28, 29) einen Ablösebereich der Strömung bezüglich der Oberfläche des Ventilschließkörpers in Strömungsrichtung der Strömung der Flüssigkeit zu zumindest einem Spritzloch (6, 7) hin einseitig begrenzt.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Störstelle (28, 29) als Vertiefung (28, 29) in der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) ausgebildet ist, die zumindest eine Kante (31, 32) an der kugelförmig ausgestalteten Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) bildet.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Störstelle (28, 29) als Kerbe (28, 29) in der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) ausgebildet ist und/oder dass zumindest eine Störstelle (28, 29) als Stufe (31, 32) in der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) ausgebildet ist und/oder dass zumindest eine Störstelle (28, 29) als Nut (28, 29) in der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) ausgebildet ist.
Verfahren zum Einspritzen von Flüssigkeiten, das mit einem Einspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchgeführt wird, wobei eine Strömung der Flüssigkeit bei geöffnetem Dichtsitz (20) über zumindest einen Teil (33, 34) der Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) geführt wird, der die zumindest eine Störstelle (28, 29) aufweist, und wobei eine grundsätzliche Variation zumindest einer Ablösestelle, an der sich die Strömung von der auf der kugeloberflächenförmigen Ausgestaltung basierenden Oberfläche (30) des Ventilschließkörpers (16) löst, durch die Anordnung der Störstelle (28, 29) in Strömungsrichtung der Strömung der Flüssigkeit zu zumindest einem Spritzloch (6, 7) hin einseitig begrenzt wird und/oder zumindest eine Ablösestelle (28, 29) durch die Störstelle (28, 29) definiert wird, wodurch die Variation zumindest im Wesentlichen eliminiert wird.