DE102018222702A1

DE102018222702A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE102018222702A1
Application number: DE102018222702.0A
Authority: DE
Inventors: Lars Opfer; Philipp ROGLER; Tobias Knorsch; Kai Gartung; Jens Soerensen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil zeichnet sich dadurch aus, dass eine Rußbildung und Verkokung im Bereich der in einem Ventilsitzkörper (5) eingebrachten Abspritzöffnungen (7) reduziert ist. Das Brennstoffeinspritzventil (1) umfasst einen erregbaren Aktuator zur Betätigung eines Ventilschließkörpers, der zusammen mit einer an dem Ventilsitzkörper (5) ausgebildeten Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und Abspritzöffnungen (7), die stromabwärts der Ventilsitzfläche (6) ausgebildet sind, wobei die Abspritzöffnungen (7) in einem kuppenartig in Abspritzrichtung nach außen stehenden Mittenbereich (44) des Ventilsitzkörpers (5) eingebracht sind. Der kuppenartig axial hervorstehende Mittenbereich (44) des Ventilsitzkörpers (5) endet radial außerhalb der Mündungsbereiche aller Abspritzöffnungen (7) und ist von einem in axialer Richtung abstehenden, dünnwandigen Hülsenelement (45) zumindest teilweise radial umgeben, wobei das Hülsenelement (45) an einem ringförmig verlaufenden Absatz (46) des Ventilsitzkörpers (5) montiert ist.Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
In den 1, 2a, 2b und 2c sind Ausführungsformen von bekannten Ventilsitzkörpern gezeigt. Dabei zeigen die 2a, 2b und 2c in schematischen Darstellungen drei grundsätzliche typische Bauarten von Abspritzöffnungen aufweisenden Ventilsitzkörpern. Während bei der bekannten und bewährten Lösung gemäß 2c der Ventilsitzkörper mit einer ebenen und flachen Stirnfläche das stromabwärtige Ventilende des Brennstoffeinspritzventils zum Brennraum hin abschließt, sind bei den ebenfalls bekannten Lösungen gemäß 2a und 2b die Ventilsitzkörper mit einem die Abspritzöffnungen umfassenden, kuppenartig in Abspritzrichtung nach außen stehenden Mittenbereich des Ventilsitzkörpers ausgestaltet. Entweder handelt es sich dabei um eine Kegelkuppe mit einer konischen Mantelfläche im Mittenbereich (z.B. DE 10 2013 219 027 A1 ) oder um eine Kugelkuppe mit einer sphärisch konvex nach außen verlaufenden Wölbung (z.B. EP 2 333 306 A1 ). In beiden Fällen geht der kuppenartige Mittenbereich des Ventilsitzkörpers fließend und in stetigem Fortgang in eine ebene und flache Stirnfläche des Ventilsitzkörpers über.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Rußbildung und Verkokung im Bereich der in einem Ventilsitzkörper eingebrachten Abspritzöffnungen reduziert ist. Erfindungsgemäß ist ein kuppenartig axial hervorstehender Mittenbereich des Ventilsitzkörpers des Brennstoffeinspritzventils so von einem Hülsenelement umgeben, dass er radial außerhalb der Mündungsbereiche aller Abspritzöffnungen abgeschirmt ist. Das in axialer Richtung abstehende, dünnwandige Hülsenelement umgibt den kuppenartigen Mittenbereich zumindest teilweise radial derart, dass eine Schutzfunktion erzielt wird und ein Spraytargeting verbessert wird.
Die Erfindung verbessert das Verdampfungsverhalten des auf der Kuppe des Ventilsitzkörpers deponierten Brennstoffes und minimiert hierdurch das Wachstum einer Rußschicht auf der abspritzseitigen Oberfläche des Ventilsitzkörpers. So wird zum einen die Entstehung von Rußpartikeln minimiert und eine Veränderung des Sprays über die Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils vermieden. Der Hohlzylinder des Hülsenelements schützt die eigentliche Kuppe des Ventilsitzkörpers vor heißen Brennraumgasen, welche je nach Motor zudem unterschiedlich viel Konzentration an eingetragenem Öldampf ausweisen. Der Öldampf kann sich somit nur schlecht auf der eigentlichen Kuppe des Ventilsitzkörpers ablagern; die Bildung der oben genannten Rußschicht wird verringert.
Die erfindungsgemäße Modifikation der Ventilsitzaußengeometrie beeinflusst maßgeblich die Interaktion der Ventilspitze mit der Brennraumströmung. So wird die Kuppe des Ventilsitzkörpers während des Saughubes von der Ladungsbewegung abgeschirmt. Die Abkühlung der Kuppe des Ventilsitzkörpers wird verringert; die Verdampfungsrate des auf der Kuppe des Ventilsitzkörpers befindlichen Brennstofffilmes wird erhöht. Weiterhin wird der kuppenartig axial hervorstehende Mittenbereich während der Verbrennung auch teilweise von der Flammenfront abgeschirmt. Dies führt zu einer Absenkung der extremen Temperaturspitzen, die während der Verbrennung auf die brennraumzugewandte Oberfläche des Ventilsitzkörpers einwirken und welche die Rußproduktion beschleunigen. Öldampf der motorischen Ladungsbewegung, initiiert durch Drall und Tumble, wird zudem in vorteilhafter Weise effektiv abgeschirmt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Vorteilhaft ist es, das Hülsenelement mit gegenüber einem idealen Hohlzylinder abweichenden Designmerkmalen auszugestalten, wie z.B. mit Kanälen, Aussparungen oder Löchern, mit gegenüber dem Ringmantel abgewinkelten Bodenbereichen oder mit schräg geneigten Wandungen, die z.B. auch noch über ihre axiale Länge ihre Wandstärke verändern.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die Geometrieauslegung des Ventilsitzkörpers an seiner dem Brennraum zugewandten unteren Stirnseite zusammen mit dem erfindungsgemäßen Hülsenelement sehr flexibel an gewünschte Einbaubedingungen und Anforderungen an den Motorbetrieb anpassbar ist.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 einen schematischen Schnitt durch ein Brennstoffeinspritzventil in einer bekannten Ausgestaltung mit einem Abspritzöffnungen aufweisenden Ventilsitzkörper am stromabwärtigen Ventilende,
2a, 2b, 2c schematische Darstellungen von verschiedenen bekannten Bauarten Abspritzöffnungen aufweisender Ventilsitzkörper als Ausschnitt II - XXII von 1 in einer jeweils vergrößerten Darstellung,
3 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
4 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
5 ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
6 ein viertes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer Unteransicht auf den Ventilsitzkörper,
7 ein fünftes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
8 ein sechstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
9 eine gegenüber der 8 um 90° gedrehte Darstellung des Hülsenelements,
10 ein siebtes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
11 ein achtes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
12 ein neuntes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
13 ein zehntes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
14 ein elftes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung.
15 ein zwölftes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
16 ein dreizehntes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
17 ein vierzehntes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
18 ein fünfzehntes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
19 ein sechzehntes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung,
20 ein siebzehntes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung.
21 ein achtzehntes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung und
22 ein neunzehntes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein in 1 dargestelltes bekanntes Beispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 besteht aus einem Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht mit einem Ventilschließkörper 4 in Wirkverbindung, der mit einer an einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Ventilsitzkörper 5 und Düsenkörper 2 können auch einteilig ausgeführt sein. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1, welches über wenigstens eine Abspritzöffnung 7 verfügt, typischerweise aber wenigstens zwei Abspritzöffnungen 7 aufweist. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist jedoch idealerweise als Mehrloch-Einspritzventil ausgeführt und hat deshalb zwischen vier und dreißig Abspritzöffnungen 7. Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen ein Ventilgehäuse 9 abgedichtet. Als Antrieb dient z.B. ein elektromagnetischer Kreis, der eine Magnetspule 10 als Aktuator umfasst, die in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt ist, welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt. Der Innenpol 13 und das Ventilgehäuse 9 sind durch eine Verengung 26 voneinander getrennt und miteinander durch ein nicht ferromagnetisches Verbindungsbauteil 29 verbunden. Die Magnetspule 10 wird über eine Leitung 19 von einem über einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben, die am Innenpol 13 angespritzt sein kann. Alternativ sind auch piezoelektrische oder magnetostriktive Aktuatoren verwendbar.
Die Ventilnadel 3 ist in einer Ventilnadelführung 14 geführt, welche scheibenförmig ausgeführt ist. Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe 15. Auf der anderen Seite der Einstellscheibe 15 befindet sich ein Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit dem ersten Flansch 21 verbunden ist. Auf dem ersten Flansch 21 stützt sich eine Rückstellfeder 23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine Einstellhülse 24 auf Vorspannung gebracht wird.
In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und an einem Führungskörper 41 verlaufen Brennstoffkanäle 30, 31 und 32. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffverteilerleitung und durch eine weitere Dichtung 36 gegen einen nicht weiter dargestellten Zylinderkopf abgedichtet.
Auf der stromabwärtigen Seite des Ankers 20 ist ein ringförmiges Dämpfungselement 33, welches aus einem Elastomerwerkstoff besteht, angeordnet. Es liegt auf einem zweiten Flansch 34 auf, welcher über eine Schweißnaht 35 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 verbunden ist.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, dass der Ventilschließkörper 4 an der Ventilsitzfläche 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem Innenpol 12 und dem Anker 20 befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgegeben ist. Der Anker 20 nimmt den ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab, und der Brennstoff wird durch die Abspritzöffnungen 7 abgespritzt.
Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende erste Flansch 21 entgegen der Hubrichtung bewegt. Die Ventilnadel 3 wird dadurch in die gleiche Richtung bewegt, wodurch der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.
In den 1, 2a, 2b und 2c sind Ausführungsformen von bekannten Ventilsitzkörpern 5 gezeigt. Auch in den meisten weiteren 3 bis 22 wird zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung und Konturgebung am Ventilsitzkörper 5 ein vergleichbarer Ausschnitt II - XXII von 1 in einer jeweils vergrößerten Darstellung gewählt.
Die 2a, 2b und 2c zeigen in sehr schematischen Darstellungen drei grundsätzliche typische Bauarten von Abspritzöffnungen 7 aufweisenden Ventilsitzkörpern 5. Während bei der bekannten und bewährten Lösung gemäß 2c der Ventilsitzkörper 5 mit einer ebenen und flachen Stirnfläche 43 das stromabwärtige Ventilende des Brennstoffeinspritzventils 1 zum Brennraum hin abschließt, sind bei den ebenfalls bekannten Lösungen gemäß 2a und 2b die Ventilsitzkörper 5 mit einem die Abspritzöffnungen 7 umfassenden, kuppenartig in Abspritzrichtung nach außen stehenden, rotationssymmetrisch zu einer Ventillängsachse 40 ausgebildeten Mittenbereich 44 des Ventilsitzkörpers 5 ausgestaltet. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a handelt es sich dabei um eine Kegelkuppe mit einer konischen Mantelfläche im Mittenbereich 44, während der Mittenbereich 44 der Ausführungsform gemäß 2b als Kugelkuppe sphärisch konvex nach außen gewölbt ausgeführt ist. In beiden Fällen geht der kuppenartige Mittenbereich 44 des Ventilsitzkörpers 5, ähnlich der Ausführung gemäß 2c, fließend und in stetigem Fortgang in die ebene und flache Stirnfläche 43 des Ventilsitzkörpers 5 über.
Ein Problem bei der Benzindirekteinspritzung besteht darin, dass es zur Bildung einer Rußschicht auf der abspritzseitigen Kuppe des Ventilsitzkörpers 5 kommt. Diese Rußschicht entsteht während des Motorbetriebes, da sich unter Einwirkung der Verbrennungswärme auf der Kuppenoberfläche deponierte Kraftstoffreste zersetzen. Diese poröse Rußschicht wiederum speichert während der Einspritzung eingebrachten Brennstoff, so dass dieser nur langsam abdampfen kann und nicht vollständig an der eigentlichen Verbrennung teilnimmt.
Ziel der Erfindung ist es deshalb, einen Ventilsitzkörper 5 und damit eine abspritzseitige, dem Brennraum zugewandte Ventilspitze bereitzustellen, an der die Verkokung reduziert ist und sich Rußschichten weniger intensiv als bei bekannten Ventilen, die der Brennraumatmosphäre ausgesetzt sind, aufbauen können. Erfindungsgemäß endet der kuppenartig axial hervorstehende Mittenbereich 44 des Ventilsitzkörpers 5 radial außerhalb der Mündungsbereiche aller Abspritzöffnungen 7 und ist dieser von einem in axialer Richtung abstehenden, dünnwandigen Hülsenelement 45 zumindest teilweise radial umgeben, wobei das Hülsenelement 45 an einem ringförmig verlaufenden Absatz 46 des Ventilsitzkörpers 5 montiert ist.
Die hier beschriebene Erfindung verbessert das Verdampfungsverhalten des auf der Kuppe des Ventilsitzkörpers 5 deponierten Brennstoffes und minimiert hierdurch das Wachstum einer Rußschicht auf der abspritzseitigen Oberfläche des Ventilsitzkörpers 5. So wird zum einen die Entstehung von Rußpartikeln minimiert und eine Veränderung des Sprays über die Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils 1 vermieden. Der Hohlzylinder des Hülsenelements 45 schützt die eigentliche Kuppe des Ventilsitzkörpers 5 vor heißen Brennraumgasen, welche je nach Motor zudem unterschiedlich viel Konzentration an eingetragenem Öldampf ausweisen. Der Öldampf kann sich somit nur schlecht auf der eigentlichen Kuppe des Ventilsitzkörpers 5 ablagern; die Bildung der oben genannten Rußschicht wird verringert.
Kern der Erfindung ist also eine gegenüber dem Stand der Technik modifizierte Außenform des Ventilsitzkörpers 5. Die Außengeometrie des Ventilsitzkörpers 5 ist so angepasst, dass der kuppenartige Mittenbereich 44, in dem die Abspritzöffnungen 7 und optional deren Vorstufen eingebracht sind, von dem Hohlzylinder des Hülsenelements 45, das eine Abschirmfunktion ausübt, umgeben ist.
In der 3 ist ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers 5 in einer mit 2a vergleichbaren Ausschnittdarstellung dargestellt. Im Unterschied zur in 1 dargestellten Ausführung sind in dem Ventilsitzkörper 5 aller folgenden Ausführungsbeispiele unmittelbar die Brennstoffkanäle 32 im Führungsbereich des Ventilsitzkörpers 5 mit eingeformt, was zu einer weiteren Erhöhung der Festigkeit des Ventilsitzkörpers 5 beiträgt, aber keinen Einfluss auf die erfindungsgemäße Konturgebung des kuppenartigen Mittenbereichs 44 mit dem abschirmenden Hülsenelement 45 hat. Der kuppenartige Mittenbereich 44 ist in idealer Weise rotationssymmetrisch zur Ventillängsachse 40 ausgeformt und endet radial außerhalb der Mündungsbereiche aller Abspritzöffnungen 7 in einem ebenen Stirnflächenbereich 47. An diesen radial kurzen ebenen Stirnflächenbereich 47 schließt sich in radialer Richtung nach außen der ringförmig verlaufende Absatz 46 an, der der Aufnahme des erfindungsgemäßen Hülsenelements 45 dient und an dem dieser auch sicher und zuverlässig befestigt ist. Der Absatz 46 bildet letztlich den Übergang zwischen dem radial inneren ebenen Stirnflächenbereich 47 und der radial äußeren eigentlichen Stirnfläche 43. An dieser Stirnfläche 43 des Ventilsitzkörpers 5 steht das Hülsenelement 45 auf, während die Innenseite des Hülsenelements 45 zumindest teilweise am Absatz 46 aus Stabilitätsgründen anliegt.
Die erfindungsgemäße Modifikation der Ventilsitzaußengeometrie beeinflusst maßgeblich die Interaktion der Ventilspitze mit der Brennraumströmung. So wird die Kuppe des Ventilsitzkörpers 5 während des Saughubes von der Ladungsbewegung abgeschirmt. Die Abkühlung der Kuppe des Ventilsitzkörpers 5 wird verringert; die Verdampfungsrate des auf der Kuppe des Ventilsitzkörpers 5 befindlichen Brennstofffilmes wird erhöht. Weiterhin wird der kuppenartig axial hervorstehende Mittenbereich 44 während der Verbrennung auch teilweise von der Flammenfront abgeschirmt. Dies führt zu einer Absenkung der extremen Temperaturspitzen, die während der Verbrennung auf die brennraumzugewandte Oberfläche des Ventilsitzkörpers 5 einwirken und welche die Rußproduktion beschleunigen. Öldampf der motorischen Ladungsbewegung, initiiert durch Drall und Tumble, wird zudem in vorteilhafter Weise effektiv abgeschirmt.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsvariante ist das Hülsenelement 45 mit einer solchen axialen Länge ausgestattet, dass es der axialen Erstreckung des kuppenartigen Mittenbereichs 44 entspricht, so dass beide ungefähr in einer Ebene enden. Der Außendurchmesser des Hohlzylinders des Hülsenelements 45 beträgt typischerweise zwischen 6 mm und 7,5 mm.
Die in der 4 gezeigte zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines Ventilsitzkörpers 5 mit einem Hülsenelement 45 in einer mit 2a vergleichbaren Ausschnittdarstellung ähnelt stark der Ausführung gemäß 3, unterscheidet sich aber durch die axiale Länge des Hülsenelements 45. Das Hülsenelement 45 steht bei dieser Variante axial deutlich über den kuppenartigen Mittenbereich 44 über. Gegenüber dem radial inneren ebenen Stirnflächenbereich 47 beträgt der axiale Überstand des Hülsenelements 45 ungefähr zweimal der axialen Erstreckung der Kuppe des Ventilsitzkörpers 5. Außerdem ist das Hülsenelement 45 weitest möglich radial außen platziert, so dass es radial mit der äußeren Mantelfläche des Ventilsitzkörpers 5 bündig abschließt.
Im Gegensatz dazu ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 das Hülsenelement 45 axial sehr kurz ausgeführt, wobei der axiale Überstand des Hülsenelements 45 gegenüber dem radial inneren ebenen Stirnflächenbereich 47 ungefähr einhalbmal der axialen Erstreckung der Kuppe des Ventilsitzkörpers 5 beträgt, was einer minimalen wirksamen Größenordnung entspricht. Außerdem ist das Hülsenelement 45 radial weit innen angeordnet, so dass dem kuppenartigen Mittenbereich 44 nur ein sehr schmaler Stirnflächenbereich 47 radial nach außen bis zum Absatz 46 für das Hülsenelement 45 folgt.
Die Parameter möglicher Varianten sind insofern die axiale Höhe, die Materialdicke und der Durchmesser des Hohlzylinders des Hülsenelements 45. Die Höhe wird ab dem Stirnflächenbereich 47 des Brennstoffeinspritzventils 1 gemessen und beträgt zwischen 1/2.H Kuppe <= h Hülsenelement 45 <= 4 H Kuppe.
Die Materialdicke des Hülsenelements 45 ist nach innen zur Interaktion des Kraftstoffsprays begrenzt und nach außen zum Durchmesser des Ventilsitzkörpers 5. Die Wandstärke des Hülsenelements 45 wird üblicherweise 0,4 mm bis 0,6 mm betragen. Der Außendurchmesser beträgt maximal dem Durchmesser der Zylinderkopfbohrung für das Brennstoffeinspritzventil 1. Minimal darf das Hülsenelement 45 das radial äußere Ende der kuppenartigen Mittenbereichs 44 gerade berühren, so dass genug Abstand für die Spraystrahlen verbleibt. Der absolute Minimalabstand des Hülsenelements 45 zu den Austritten der Abspritzöffnungen 7 hin beträgt zwei Durchmesser der Abspritzöffnungen 7 bzw. deren Vorstufen.
Eine gezielte Abschirmung der Ladungsbewegung abhängig vom Targeting ist durch Anbringung einer Hohlellipse als Hülsenelement 45 möglich, wie 6 in einer Unteransicht auf den Ventilsitzkörper 5 zeigt.
In der 7 ist ein fünftes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers 5 in einer mit 2a vergleichbaren Ausschnittdarstellung dargestellt. Alle mit 7 beginnenden Ausführungsformen des Hülsenelements 45 ermöglichen eine gezielte Interaktion des kuppenartigen Mittenbereichs 44 mit der Ladungsbewegung. Zu diesem Zweck kann die axiale Höhe des als „Windzaun“ fungierenden Hülsenelements 45 über seinen Umfang variieren. Dabei ist eine Variante denkbar, bei der ein eine Aussparung bildender Kanal 48 oder mehrere über den Umfang verteilte Aussparungen bildende Kanäle 48 vorgesehen sind. Die Breite und Form des Kanals 48 ist dabei variabel. 7 zeigt eine Ausführung mit einem kontinuierlichen Übergang zum Kanal 48, so dass sich eine wellenförmige Kontur ergibt und je nach Targeting und Einbau des Brennstoffeinspritzventils 1 die Position des Kanals 48 variiert. Die Richtung des Kanals 48 kann dabei relativ zur Ladungsbewegung variiert werden, um den Wärmeübergang zu optimieren.
In der 8 ist ein sechstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers 5 in einer mit 2a vergleichbaren Ausschnittdarstellung dargestellt. Bei dieser Ausführung erfolgt der Übergang zum Kanal 48 sprunghaft. Auch hier ist das Targeting maßgebend für die Verdrehung des Hülsenelements 45. In der gegenüber der 8 um 90° gedrehten Darstellung des Hülsenelements 45 gemäß 9 wird der die Aussparung bildende Kanal 48 deutlich.
10 zeigt anstelle einer Schnittdarstellung in einer Seitenansicht ein siebtes Ausführungsbeispiel eines Hülsenelements 45, um zu verdeutlichen, dass eine Vielzahl von über den Umfang verteilten Kanälen 48, hier z.B. sechs, im Hülsenelement 45 vorgesehen sein kann. Die Anzahl, Größe und Abstand der Kanäle 48 sind variabel. Wichtig ist stets die gewünschte Ausrichtung zur Brennraumströmung. Weitere angepasste Formen des erfindungsgemäßen Hülsenelements 45 zeigen die 11 und 12, wobei bei dem achten Beispiel gemäß 11 eine Vielzahl von Kanälen 48 gleichverteilt über den Umfang des Hülsenelements 45 angeordnet ist und bei dem neunten Beispiel gemäß 12 einseitig eine Vielzahl von Kanälen 48 gleichverteilt über den Umfang des Hülsenelements 45 angeordnet ist und gegenüberliegend ein größerer geschlossener Hülsenbereich 49 vorgesehen ist, so dass hier die Brennraumströmung an dem Hülsenelement 45 vorbeiströmen muss.
Abweichend von allen voraus beschriebenen Ausführungsvarianten zeichnen sich die folgenden Ausführungsbeispiele durch ein von der Form eines kreisförmigen oder elliptischen Hohlzylinders abweichendes Hülsenelement 45 aus. In der 13 ist in einem zehnten Ausführungsbeispiel ein Hülsenelement 45 gezeigt, das einen zu dem eigentlichen Zylindermantel rechtwinklig verlaufenden Ringboden 49 aufweist. Das Hülsenelement 45 ist dabei derart ausgebildet, dass im am Ventilsitzkörper 5 befestigten Zustand der Ringboden 49 mit einem axialen Abstand zum Stirnflächenbereich 47 des Ventilsitzkörpers 5 verläuft, so dass ein Spalt 50 gebildet ist. Der Spalt 50 zwischen dem Ventilsitzkörper 5 und dem Ringboden 49 dient als Schutzzone und zur Wärmeisolierung zur Kuppe des Ventilsitzkörpers 5. Die Größe des Ringbodens 49 in radialer Richtung und damit der Durchmesser der darin gebildeten Öffnung kann variabel für unterschiedliche Spraytargetings angepasst werden.
Eine Alternative dazu ist im elften Ausführungsbeispiel in der 14 gezeigt. Hier ist der Spalt 50 in seiner axialen Ausdehnung deutlich reduziert, da die Dicke des Ringbodens 49 größer gewählt ist, damit eine homogene Temperatur an dem kuppenartigen Mittenbereich 44 vorliegt.
In den 15 bis 20 sind ein zwölftes bis siebzehntes Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Hülsenelementen 45 dargestellt. Dabei handelt es sich um weitere angepasste Formen des Hülsenelements 45. Das Hülsenelement 45 der 15 verläuft dabei in axialer Richtung zum Brennraum hin gesehen konisch sich verjüngend, so dass der kuppenartige Mittenbereich 44 von außen leicht überdeckt sein kann, so dass eine Schutzzone entsteht. Die Neigung des Hülsenelements 45 ist nach innen gerichtet, damit die Ladungsbewegung und andere motorische Effekte abgeschirmt werden. Das Hülsenelement 45 der 16 verläuft in axialer Richtung zum Brennraum hin gesehen konisch sich erweiternd mit einer Neigung nach außen, wodurch seitliche Strömungseffekte abgeschirmt und axiale Zuströmungen begünstigt werden, um eine Verkokung zu vermeiden.
In den 17 und 18 sind zwei Ausführungsbeispiele dargestellt, bei denen die Hülsenelemente 45 keine konstante Wandstärke besitzen, sondern im Querschnitt keilig mit Abschrägungen verlaufen, wobei die Wandstärke in axialer Richtung zum Brennraum hin abnimmt. Das Hülsenelement 45 selbst steht dabei gerade auf der Stirnfläche 43 auf und liegt auch flächig am Absatz 46 an, ist jedoch mit einer Neigung innen und/oder außen versehen. Ist die Neigung innen und außen gewählt, wie im Beispiel der 17, wird die Oberfläche zum Brennraum erhöht, ohne das abzugebende Spray zu beeinflussen. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 18 ist die Neigung am Hülsenelement 45 ausschließlich außen vorgesehen. Hier wird die Ladungsbewegung abgelenkt, wobei innen das Spray enger geführt wird.
Das in der 19 gezeigte Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass im Gegensatz zu beiden vorherigen Varianten die Wandstärke in axialer Richtung zum Brennraum hin zunimmt. Auf diese Weise kann so die Wärme gespeichert werden und ein Sogeffekt begünstigt werden. Radial innen wird durch einen steilen Winkel eine Schutzzone geschaffen, und außen wird durch einen noch steileren Winkel als innen die Ladungsbewegung abgeschirmt bzw. umgeleitet.
Bei dem in der 20 gezeigten siebzehnten Ausführungsbeispiel wird die Ladungsbewegung einseitig über das Hülsenelement 45 im definierten Abstand zum kuppenartigen Mittenbereich 44 geleitet. Durch die gekippte Neigung des Hülsenelements 45 entstehen auf der abgewandten Seite Turbulenzen, die einer Kuppenbenetzung und Verkokung entgegenwirken.
In der 21 ist als achtzehntes Ausführungsbeispiel ein Hülsenelement 45 dargestellt, das nicht nur einen Ringboden 49 mit geringer radialer Ausdehnung, wie in den 13 und 14 gezeigt, aufweist, sondern einen weitgehend geschlossenen Bodenbereich 51. Auf diese Weise ist der kuppenartige Mittenbereich 44 besonders gut geschützt. Allerdings ist der Bodenbereich 51 des Hülsenelements 45 entsprechend den Abspritzöffnungen 7 mit mehreren Öffnungsbereich 52 versehen, die zwingend für das Spraytargeting erforderlich sind, so dass das Spray ohne nennenswerte Benetzung das Brennstoffeinspritzventil 1 verlässt. Der Bereich zwischen dem Bodenbereich 51 und dem kuppenartigen Mittenbereich 44 ist somit ein Schutzbereich, der vor den Brennraumeffekten geschützt gehalten wird und auf diese Weise eine Verkokung verhindert. In der 21 ist der Bodenbereich 51 als planes Bodenteil dargestellt, der Bodenbereich 51 kann jedoch auch eine Kuppenform annehmen, die der Form des kuppenartigen Mittenbereichs 44 weitgehend folgt.
Das zylindrische Hülsenelement 45 gemäß 22 zeichnet sich in einem neunzehnten Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass über den Umfang verteilt Löcher 53 zur Turbulenzerzeugung eingebracht sind. Die Löcher 53 können in den unterschiedlichsten Querschnittsformen, wie Kreise, Ellipsen, Polygone o.ä. verwirklicht werden. Die Anzahl und Größe der Löcher 53 werden je nach Größe des „Windzauns“, also des Hülsenelements 45, bzw. nach den Anforderungen an die Spraybeeinflussung bestimmt.
Das Hülsenelement 45 wird am Absatz 46 des Ventilsitzkörpers 5 z.B. durch Pressen, Schweißen oder andere Fügeverfahren angebracht.
Die Abspritzöffnungen 7 im Ventilsitzkörper 5 können sowohl mit einer durchmessergrößeren, zur Abspritzseite hin verlaufenden Vorstufe ausgebildet sein, aber auch zylindrisch, konisch mit positivem oder negativem Öffnungswinkel oder mehrfach gestuft o.ä. verlaufen. Im Querschnitt sind alle Formen für die Abspritzöffnungen 7 denkbar, von rund über oval bis mehreckig. Dabei werden die Abspritzöffnungen 7 mittels Erodieren, Laserbohren oder Stanzen hergestellt. Die Abspritzöffnungen 7 können am Spritzlocheintritt bzw. -austritt entweder scharfkantig gefertigt werden oder aber z.B. durch hydroerosives Erodieren verrundet werden.
Als typischer Werkstoff für den Ventilsitzkörper 5 kann Stahl verwendet werden. Die Herstellung des kuppenartigen Mittenbereichs 44 kann deshalb mittels Zerspanen (Drehen, Schleifen, Honen), durch Umformen (Fließpressen) oder auch durch Urformen (Metal Injection Molding) erfolgen. Abgesehen von Stahl kommen aber auch andere metallische Werkstoffe oder keramische Werkstoffe für den Ventilsitzkörper 5 in Frage.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und z.B. für andersartig angeordnete Abspritzöffnungen 7 sowie für beliebige Bauweisen von nach innen öffnenden Mehrloch-Brennstoffeinspritzventilen 1 anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013219027 A1 [0002]
EP 2333306 A1 [0002]

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum, für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen mit einem erregbaren Aktuator (10) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (4), der zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildeten Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, und wenigstens einer Abspritzöffnung (7), die stromabwärts der Ventilsitzfläche (6) ausgebildet ist/sind, wobei die Abspritzöffnungen (7) in einem kuppenartig in Abspritzrichtung nach außen stehenden Mittenbereich (44) des Ventilsitzkörpers (5) eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass der kuppenartig axial hervorstehende Mittenbereich (44) des Ventilsitzkörpers (5) radial außerhalb der Mündungsbereiche aller Abspritzöffnungen (7) endet und von einem in axialer Richtung abstehenden, dünnwandigen Hülsenelement (45) zumindest teilweise radial umgeben ist, wobei das Hülsenelement (45) an einem ringförmig verlaufenden Absatz (46) des Ventilsitzkörpers (5) montiert ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Hülsenelement (45) radial umgebene Mittenbereich (44) gegenüber dem Hülsenelement (45) bezüglich seiner axialen Erstreckung entweder zurückversetzt oder vorgesetzt endet oder mit dem Hülsenelement (45) ungefähr in ein und derselben Ebene abschließt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die axiale Höhe des Hülsenelements (45) bezogen auf die axiale Ausdehnung des Mittenbereichs (44) gilt: 1/2.H Kuppe <= h Hülsenelement (45) <= 4 H Kuppe.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz (46) den Übergang zwischen einem radial inneren ebenen Stirnflächenbereich (47), der sich unmittelbar an den kuppenartigen Mittenbereich (44) anschließt, und einer radial äußeren Stirnfläche (43) des Ventilsitzkörpers (5) bildet.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Hülsenelement (45) ein eine Aussparung bildender Kanal (48) oder mehrere über den Umfang verteilte, Aussparungen bildende Kanäle (48) vorgesehen sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Kanälen (48) gleichverteilt über den Umfang des Hülsenelements (45) angeordnet ist oder einseitig eine Vielzahl von Kanälen (48) gleichverteilt über den Umfang des Hülsenelements (45) angeordnet ist und gegenüberliegend ein größerer geschlossener Hülsenbereich (49) vorgesehen ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenelement (45) ein von der Form eines kreisförmigen oder elliptischen Hohlzylinders abweichendes Design aufweist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenelement (45) einen zu dem eigentlichen Zylindermantel winklig verlaufenden Ringboden (49) oder einen weitgehend geschlossenen Bodenbereich (51) aufweist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenelement (45) derart ausgebildet ist, dass im am Ventilsitzkörper (5) befestigten Zustand der Ringboden (49) bzw. der Bodenbereich (51) mit einem axialen Abstand zum Ventilsitzkörper (5) verläuft, so dass ein Spalt (50) dazwischen gebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenelement (45) mit schräg geneigten Wandungen ausgeführt ist bzw. dass die Wandstärke über ihre axiale Länge variiert.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kuppenartige Mittenbereich (44) entweder sphärisch konvex gewölbt ausgebildet ist oder im Bereich der Ventillängsachse (40) spitz zuläuft.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei und dreißig abzuschirmende Abspritzöffnungen (7) in dem Ventilsitzkörper (5) vorgesehen sind.