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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil, mit verbessertem Einspritzverhalten. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, welche ein derartiges Einspritzventil umfasst.
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Einspritzventile zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine sind hinlänglich bekannt. Insbesondere gibt es Einspritzventile mit einem als Ventilnadel ausgebildeten Ventilschließelement, welches einen Kopf aufweist und einen Strömungspfad vom Zulauf des Ventils zu einem oder mehreren Spritzlöchern öffnet oder verschließt. Hierzu wird das Ventilschließelement bzw. der Kopf des Ventilschließelements durch eine aufgebrachte Kraftwirkung aus dem Ventilsitz gehoben oder in den Ventilsitz gepresst.
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Unmittelbar nach dem Moment, in dem der Kopf des Ventilschließelements zusammen mit dem Ventilsitz die weitere Zuführung von Kraftstoff zu dem Spritzloch oder den Spritzlöchern verschließt, befindet sich noch eine kleine Kraftstoffrestmenge im Einspritzventil in einem Bereich stromabwärts des Kopfes des Ventilschließelements. Diese Kraftstoffrestmenge verlässt das Einspritzventil anschließend mit geringem Impuls und trägt zur Emissionsbildung bei, da diese Kraftstoffmenge häufig nicht mehr vollständig verbrannt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Einspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine beim Zeitpunkt des Schließens des Einspritzventils unterhalb des Kopfes des Ventilschließelementes verbliebene Kraftstoffrestmenge mit einem erhöhten Impuls aus dem Einspritzventil geführt wird. Somit wird eine Reduzierung von Kraftstoffemissionen ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß durch eine gezielte Ausgestaltung der Geometrie des Ventilkörpers des Einspritzventils in einem Einlaufbereich in Richtung einer Auslassöffnung des Einspritzventils erreicht. Hierbei weist das erfindungsgemäße Einspritzventil, insbesondere Kraftstoffeinspritzventil, einen Ventilkörper mit mindestens einer Auslassöffnung, ein Ventilschließelement mit einem Kopf, einen Ventilsitz und einen Aktor auf, welcher eingerichtet ist, das Ventilschließelement zu betätigen, um die Auslassöffnung freizugeben oder zu verschließen, wobei der Ventilkörper radial innerhalb des Ventilsitzes eine Ventilfläche aufweist. Erfindungsgemäß ist die Ventilfläche geometrisch derart ausgebildet, dass Kraftstoff, welcher sich beim Schließvorgang des Schließelements in einem Bereich zwischen dem Kopf des Ventilschließelements und der Ventilfläche befindet, größtenteils verdrängt wird, so dass der Kraftstoff mit vergrößertem Impuls durch die Auslassöffnung eingespritzt wird. Der Bereich zwischen dem Kopf des Ventilschließelements und der Ventilfläche entspricht dem Einlaufbereich in die Auslassöffnung des Einspritzventils. Durch den vergrößerten Impuls des Kraftstoffs wird eine schnellere und vollständigere Entleerung des Einlaufsbereichs des Einspritzventils bewirkt. Somit wird der schädliche Einfluss einer Kraftstoffrestmenge in Bezug auf Emissionen gemindert. Die verbesserte Entleerung von Kraftstoffrestmengen aus dem Einspritzventil erfolgt dabei formunterstützt passiv. Da das Ablaufen von Kraftstoffrestmengen durch die geometrische Formgebung begünstigt wird, kann mehr Kraftstoff abgeführt und vom Verbrennungsvorgang erfasst werden. Weiterhin wird die Wahrscheinlichkeit einer Belagsbildung auf der Ventilfläche reduziert oder vermieden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise weist die Ventilfläche des Ventilkörpers innerhalb des Ventilsitzes eine Erhebung auf. Insbesondere ist die Erhebung teilkugelförmig ausgebildet. Neben der Vergrößerung des Impulses des Kraftstoffs im Bereich zwischen dem Kopf des Ventilschließelements und der Ventilfläche wird eine gezielte Führung des Kraftstoffs in Richtung der Auslassöffnung erreicht.
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Um für eine zusätzliche seitliche Führung des Kraftstoffs in Richtung der Auslassöffnung zu sorgen, kann die Ventilfläche des Ventilkörpers innerhalb des Ventilsitzes mindestens eine Rippe und/oder mindestens eine Vertiefung aufweisen.
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Vorteilhafterweise kann der Kopf des Ventilschließelements eine Aussparung aufweisen. Das Vorsehen der Aussparung am Kopf des Ventilschließelements, insbesondere in Kombination mit der Erhebung der Ventilfläche, führt zu einem noch größeren Impuls des Kraftstoffs, welcher sich zwischen dem Kopf und der Ventilfläche befindet. Außerdem wird zusätzlich zu der Strömungsführung auf der Seite der Ventilfläche eine Zuführung der Strömung in Richtung der Auslassöffnung auch auf der Seite des Ventilschließelements begünstigt.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Kopf des Ventilschließelements kugelförmig ausgebildet. Es stellt sich dabei eine Liniendichtung zwischen dem Kopf des Ventilschließelements und dem Ventilsitz ein. Ferner bildet ein solcher Kopf den Vorteil einer hohen Flexibilität bei der Formgebung der Aussparung.
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Vorzugsweise ist die Aussparung als Abflachung oder Konturierung ausgebildet. Durch die Abflachung ergibt sich ein Kugelsegment, welches dem Kopf des Ventilschließelements entspricht. Ein Kugelsegment oder Kugelabschnitt ist ein Teil eines Kugelkörpers, der durch den Schnitt mit einer Ebene gebildet wird. Durch eine Konturierung kann je nach Anwendung die Geometrie der Aussparung an die Geometrie der Erhebung angepasst werden, um eine optimale Abführung der Kraftstoffrestmenge zu ermöglichen.
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Besonders bevorzugt ist die Aussparung konkav ausgebildet. Diese Form der Aussparung wird erzeugt, wenn Material aus einer Kugel entfernt wird.
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Im vollständig geschlossenen Zustand des Einspritzventils ist vorteilhafterweise der Kopf des Ventilschließelements von der Ventilfläche innerhalb des Ventilsitzes um einen Spalt beabstandet. Somit ist vorzugsweise der Spalt zwischen dem Kopf des Ventilschließelements und der Ventilfläche vorgesehen. Wenn die Aussparung und die Erhebung gekrümmt, insbesondere wenn die Aussparung konkav und die Erhebung teilkugelförmig, ausgebildet sind, ist es von Vorteil, wenn die Aussparung des Kopfes eine kleinere Krümmung als die Erhebung der Ventilfläche aufweist. Dies hat eine verbesserte Führung des Kraftstoffes in Richtung der Auslassöffnung zur Folge.
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Vorzugsweise vergrößert sich der Spalt zwischen dem Kopf des Ventilschließelements und der Ventilfläche innerhalb des Ventilsitzes von innen nach außen in Richtung der Auslassöffnung. Dies trägt zu der Erhöhung des Impulses sowie der besseren Führung des Kraftstoffs in Richtung der Auslassöffnung bei.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, welche ein erfindungsgemäßes Einspritzventil umfasst. Hierbei sind die in Bezug auf das Einspritzventil beschriebenen Vorteile auch hier erhalten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine vereinfachte schematische Schnittansicht eines Einspritzventils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Einspritzventils von 1 im offenen Zustand, und
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3 der vergrößerte Bereich des Einspritzventils von 2 in geschlossenem Zustand.
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Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein Einspritzventil 1 zur Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Das Einspritzventil 1 ist vorzugsweise ein nach innen öffnendes Einspritzventil.
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Wie aus der 1 ersichtlich ist, weist das Einspritzventil 1 einen Ventilkörper 2 auf, in welchem ein Ventilschließelement 3 angeordnet ist. Insbesondere ist das Ventilschließelement 3 als Ventilnadel ausgebildet.
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Im Ventilkörper 2 sind ferner mehrere Auslassöffnungen 20 angeordnet, welche das Ventilschließelement 3 freigibt oder verschließt. Die Anzahl der Auslassöffnungen kann je nach Anwendung variieren.
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Zum Bewegen des Ventilschließelements 3 ist ein Aktor 5 vorgesehen, welcher vorzugsweise als Magnetaktor ausgebildet ist und einen mit dem Ventilschließelement 3 verbundenen Anker 8 betätigt. Eine Magnetspule wird durch einen elektrischen Anschluss 10 bestromt. Der Aktor 5 kann alternativ piezoelektrisch oder hydraulisch ausgeführt werden.
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Bei einer Bestromung der Magnetspule wird eine Magnetkraft erzeugt, die ein Anheben des Ankers 8 entgegen der Federkraft einer Rückstellfeder 9 und damit ein Öffnen des Einspritzventils 1 bewirkt. Wird die Bestromung der Magnetspule beendet, bewirkt die Federkraft der Rückstellfeder 9 die Rückstellung des Ankers 8 und das Schließen des Einspritzventils 1.
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Im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 1 (3) dichtet das Ventilschließelement 3 an einem Ventilsitz 4 am Ventilkörper 2 ab und blockiert den Zulauf von Kraftstoff in den Einlaufbereich des Einspritzventils 1.
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Erfindungsgemäß weist der Ventilkörper 2 radial im Inneren des Ventilsitzes 4 eine Ventilfläche 21 auf. Die Ventilfläche 21 ist eine Fläche innerhalb der Auslassöffnungen 20. Beim Schließvorgang des Ventilschließelements 3 befindet sich Kraftstoff in einem Bereich 6 zwischen dem Kopf 30 des Ventilschließelements 3 und der Ventilfläche 21. Die Ventilfläche 21 ist geometrisch derart ausgebildet, dass dieser Kraftstoff mit vergrößertem Impuls durch die Auslassöffnungen 20 eingespritzt wird.
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Der Bereich 6 zwischen dem Kopf 30 des Ventilschließelements 3 und der Ventilfläche 21 entspricht einem Einlaufbereich in die Auslassöffnungen 20.
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Vorzugsweise weist die Ventilfläche 21 des Ventilkörpers 2 innerhalb des Ventilsitzes 4 eine Erhebung 22 auf, welche insbesondere teilkugelförmig mit einem ersten Krümmungsradius r1 ausgebildet ist (2 und 3). Die Erhebung 22 weist bevorzugt die Form einer Kuppe auf.
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Durch die Erhebung 22 wird zum Zeitpunkt des Schließens des Einspritzventils 1 dem im Bereich 6 befindlichen Kraftstoff ein Impuls gegeben, so dass der Kraftstoff in Richtung der Auslassöffnungen 20 verdrängt wird und aus dem Einspritzventil 1 schneller entfernt wird.
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Dazu trägt auch die geometrische Ausgestaltung des Kopfes 30 des Ventilschließelements 3 bei, in dem der Kopf 30 eine Aussparung 31 aufweist. Die Aussparung 31 ist konkav konturiert. Dabei ist die Aussparung 31 mit einem zweiten Krümmungsradius r2 ausgebildet.
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Insbesondere ist der zweite Krümmungsradius r2 der Aussparung 31 größer als der erste Krümmungsradius r1 der Erhebung 22 der Ventilfläche 21. Aufgrund der abgerundeten Form der Erhebung 22 sowie der Aussparung 31 werden zusätzlich anderenfalls auftretende Druckverluste wegen scharfer Kanten vermieden.
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Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann die Aussparung 31 als Abflachung ausgebildet sein.
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Ferner kann die Ventilfläche 21 mindestens eine Rippe und/oder mindestens eine Vertiefung aufweisen. Diese Konstruktionsmaßnahmen bieten eine zusätzliche Führung des im Bereich 6 befindlichen Kraftstoffs in Richtung der Auslassöffnungen 20.
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Die 2 zeigt das Einspritzventil 1 in einem geöffneten Zustand. Hier wird Kraftstoff von einem Zulauf 12 (1) des Einspritzventils 1 über einen im Ventilkörper 2 gebildeten Kanal 11 durch die Auslassöffnungen 20 aus dem Einspritzventil 1 eingespritzt (Pfeile P).
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Wie aus der 3 ersichtlich ist, ist im vollständig geschlossenen Zustand des Einspritzventils 1 der Kopf 30 des Ventilschließelements 3 von der Ventilfläche 21 innerhalb des Ventilsitzes 4 um einen Spalt 7 beabstandet.
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Vorteilhafterweise vergrößert sich der verbliebene Spalt 7 zwischen dem Kopf 30 des Ventilschließelements 3 und der Ventilfläche 21 des Ventilkörpers 2 innerhalb des Ventilsitzes 4 von innen nach außen in Richtung der Auslassöffnungen 20. Dies begünstigt die Führung und die Vergrößerung des Impulses des Kraftstoffs in Richtung der Auslassöffnungen 20.
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Somit kann das Totvolumen unterhalb des Ventilsitzes 4 gering gehalten werden.
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Durch die erfindungsgemäße geometrische Ausgestaltung der Ventilfläche 21 des Ventilkörpers 2 innerhalb des Ventilsitzes 4 wird eine schnelle und vollständigere Entfernung von Kraftstoffrestmengen während des Schließvorgangs des Einspritzventils 1 gewährleistet. Als Folge davon verlässt der Kraftstoff das Einspritzventil 1 mit erhöhtem Impuls, was zu einer reduzierten Emissionsbildung führt. Somit kann vermieden werden, dass Kraftstoff in der Form von großen Tropfen aus dem Einspritzventil 1 abgeführt wird, welche nur schlecht verdampfen und vom Verbrennungsvorgang nicht erfasst werden können. Dadurch werden die entstehenden Emissionen einer Brennkraftmaschine reduziert.
