EP1523620B1 - Einspritzventil - Google Patents

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EP1523620B1
EP1523620B1 EP03740112A EP03740112A EP1523620B1 EP 1523620 B1 EP1523620 B1 EP 1523620B1 EP 03740112 A EP03740112 A EP 03740112A EP 03740112 A EP03740112 A EP 03740112A EP 1523620 B1 EP1523620 B1 EP 1523620B1
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EP
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valve
injection valve
injection
valve according
housing
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Andreas Kappel
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Tim Schwebel
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/08—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series the valves opening in direction of fuel flow

Definitions

  • the invention relates to an injection valve, in particular its injector tip, which projects into the direct injection into a combustion chamber in this.
  • an injection valve in particular its injector tip, which projects into the direct injection into a combustion chamber in this.
  • burn residues deposit on the injector tip.
  • Deposits which are reflected in particular in the vicinity of the fuel discharge gap, influence the geometry of the exiting cone beam, in particular the shape of the cone angle and the strandness of the beam.
  • beam-guided combustion methods are based on the accurate reproducibility of the injection operations in close tolerance ranges throughout the life of the engine, so that the formation of deposits must be avoided.
  • the effect of this design is to prevent the accumulation and settling of combustion residues in the area of the nozzle outlet.
  • a common planar surface is formed on the housing end face of the injection nozzle with the closure body in the closed state of the injection nozzle, so that in particular with a conical surface the combustion chamber facing surface of the injection nozzle and the closure body should remain free of combustion residues.
  • the avoidance of precipitates of combustion residues on the surface of the injector tip can not be optimized with a merely planar surface.
  • the invention has for its object to describe an injection valve at the top of the fluid outlet precipitation of combustion residues are avoided.
  • the invention is based on the finding that in order to avoid lumps of combustion residues in the region of the dividing line between a valve disk and the valve seat of a valve housing, ie in the region of the fluid outlet or the formation of the fluid injection jet, there is a common smooth surface which is free of steps and edges is curved at the same time. Curvature in this case is an outward curvature, which is equivalent to a workpiece radius that is less than infinity.
  • the invention additionally uses the radius of curvature of the surface in the region of the parting line as an optimization parameter.
  • a curved surface which may for example have the shape of a spherical cap
  • the targeted adjustment of the radius of curvature has a lasting effect on the gas flow in the vicinity of the fuel outlet, which in turn has a positive effect on the jet stability with an open injector during the injection cycle.
  • the precipitation tendency of combustion residues is avoided with the injector closed during the combustion and exhaust stroke.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the exiting cone beam, the tangent to the combustion chamber facing surface of the valve body and valve disc in axial section seen perpendicular or nearly vertical, preferably at an angle of about 90 ° ⁇ 20 ° cuts.
  • the figure shows an axial section through the combustion chamber facing the axisymmetric injector tip. It consists of a valve housing 1 with its combustion chamber facing surface 5. Through a space 9 within the injector pressurized fuel is supplied, which is present via an outlet channel 3 in connection to the space 9 at the foremost end of the injector.
  • the valve shown here consists of a valve seat on the valve housing 1 corresponding to the inner surface 7 of the valve housing 1 and the cooperating inner surface 8 of the valve disk 4 and generates a cone beam when opening. This should be as evenly as possible and not by combustion residues, which have attached to the outer surface of the injector, torn.
  • the valve needle 2 is formed or connected at its lower end fixed to the valve plate 4.
  • the valve disk 4 has the combustion chamber facing surface 6 and the space 9 facing inner surface 8.
  • the combustion chamber facing surfaces 5, 6 of valve body 1 and valve plate 4 a common smooth surface without steps and without edges. These considerations are made in each case based on the circumferential parting line 10 between the valve body 1 and the valve disk 4, as at this point combustion residues that could affect the cone beam to be permanently avoided.
  • the surfaces 5, 6 together form a curved surface.
  • a curved surface as shown in the figure, for example a spherical cap, one thus additionally obtains optimization parameters with regard to the jet stability and the avoidance of precipitation of combustion residues at this location.
  • the radius of curvature has a sustained positive influence on the gas flow in the vicinity of the fuel outlet and thus on the jet stability with the injector open during the injection cycle. The same applies to the precipitation tendency of combustion residues with the injector closed during the combustion or exhaust stroke.
  • valve body 1 and valve plate 4 are not limited to spherical caps, but there are all easy to manufacture surface shapes in question, such as. Paraboloids, ellipsoids, hyperboloids, if they can favorably influence the jet stability and coking tendency.
  • a frustoconical design can be provided as an end termination on the valve tip.
  • the inner surface 7 of the valve body 1 forms, together with the inner surface 8 of the valve disk 4, the outlet channel 3 for the fuel.
  • the outlet channel 3 of the fuel must be designed so that the flow-through cross section in the flow direction, ie from the inside to the outside, is constant or decreasing. Thus cavitation in the fuel is safely avoided and the sealing surface or sealing line, which is located at the outer edge of the outlet channel 3, is not damaged.
  • the inner surfaces 7, 8 of valve body 1 and valve disk 4 meet in the flow direction at a shallow angle, ie either almost parallel or in tangential form with the injector closed.
  • the tangent direction in the figure the course of the surface 8, determines the cone beam angle ⁇ .

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere dessen Injektorspitze, die zur direkten Einspritzung in einen Brennraum in diesen hineinragt. Durch diese Konstruktion besteht die Gefahr, dass sich Verbrennungsrückstände auf der Injektorspitze ablagern. Ablagerungen, die sich insbesondere in der Nähe des Kraftstoffaustrittsspaltes niederschlagen, beeinflussen die Geometrie des austretenden Kegelstrahles, insbesondere die Form des Strahlkegelwinkels und die Strähnigkeit des Strahles. Strahlgeführte Brennverfahren basieren jedoch auf der genauen Reproduzierbarkeit der Einspritzvorgänge in engen Toleranzbereichen über die gesamte Lebensdauer des Motors hinweg, so dass die Bildung von Ablagerungen vermieden werden muss.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE-A-100 12 969 ist eine Einspritzdüse bekannt, die in einem Zylinderkopf in einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Die Einspritzdüse wird über ein Stellglied bewegt, wobei ein Verschlusselement entsprechend geöffnet und geschlossen wird. Im geschlossenen Zustand bilden die Oberflächen von Verschlusskörper und Einspritzdüse eine gemeinsame plane Oberfläche.
  • Die Wirkung dieser Ausführung soll das Ansammeln und Festsetzen von Verbrennungsrückständen im Bereich des Düsenaustritts vermeiden. Dazu wird an der Gehäusestirnseite der Einspritzdüse mit dem Verschlusskörper im geschlossenen Zustand der Einspritzdüse eine gemeinsame plane Oberfläche gebildet, so dass insbesondere mit einer Kegelmanteloberfläche die dem Brennraum zugewandte Oberfläche der Einspritzdüse und des Verschlusskörpers frei von Verbrennungsrückständen bleiben soll. Die Vermeidung von Niederschlägen von Verbrennungsrückständen an der Oberfläche der Injektorspitze lässt sich jedoch mit einer lediglich planen Oberfläche nicht optimieren.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil zu beschreiben, an dessen Spitze im Bereich des Fluidauslasses Niederschläge von Verbrennungsrückständen vermieden werden.
  • Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Vermeidung von Ansätzen von Verbrennungsrückständen im Bereich der Trennungslinie zwischen einem Ventilteller und dem Ventilsitz eines Ventilgehäuses, also im Bereich des Fluidauslasses bzw. der Entstehung des Fluideinspritzstrahles, eine gemeinsame glatte Oberfläche vorliegt, die stufen- und kantenlos ist und gleichzeitig gekrümmt. Unter Krümmung ist in diesem Fall eine Krümmung nach außen zu verstehen, was gleichbedeutend ist mit einem Werkstückradius, der kleiner ist als unendlich.
  • Durch die Erfindung wird zusätzlich der Krümmungsradius der Oberfläche im Bereich der Trennlinie als Optimierungsparameter herangezogen. Mit Hilfe einer gekrümmten Oberfläche, die beispielsweise die Form einer Kugelkalotte aufweisen kann, ergeben sich besondere Vorteile hinsichtlich der Strahlstabilität und der Vermeidung von Niederschlag von Verbrennungsrückständen am Einspritzventil bzw. an der Spitze des Injektors. Mittels der gezielten Einstellung des Krümmungsradius wird nachhaltig Einfluss auf die Gasströmung in der Nähe des Kraftstoffaustrittes genommen, was sich wiederum positiv auf die Strahlstabilität bei offenem Injektor während des Einspritztaktes auswirkt. Weiterhin wird die Niederschlagsneigung von Verbrennungsrückständen bei geschlossenem Injektor während des Verbrennungs- und Auslasstaktes vermieden.
  • Durch eine besondere Form der Oberflächenausgestaltung an der Trennlinie, beispielsweise als Paraboloid, Ellipsoid oder Hyperboloid, können die individuellen Einflüsse innerhalb eines Verbrennungsraumes in Zusammenhang mit dem in den Verbrennungsraum hineinragenden Injektor und den damit verbundenen Gasströmungen durch eine entsprechend konstruktive Anpassung berücksichtigt werden.
  • Verbunden mit einer Geometrie des Austrittskanals für das Fluid, durch die Kavitation vermieden wird, kann somit eine optimale Gestaltung einer Injektorspitze erzeugt werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der austretende Kegelstrahl die Tangente an die dem Brennraum zugewandten Oberfläche von Ventilkörper und Ventilteller im axialen Schnitt gesehen senkrecht oder nahezu senkrecht, vorzugsweise im Winkel von ca. 90° ± 20° schneidet.
  • Im folgenden wird anhand einer schematischen Figur ein Ausführungsbeispiel beschrieben:
  • Die Figur zeigt einen axialen Schnitt durch die dem Brennraum zugewandte achsensymmetrische Injektorspitze. Sie besteht aus einem Ventilgehäuse 1 mit seiner dem Brennraum zugewandten Oberfläche 5. Durch einen Raum 9 innerhalb des Injektors wird druckbeaufschlagter Kraftstoff zugeführt, der über einen Austrittskanal 3 in Anschluss an den Raum 9 am vordersten Ende des Injektors ansteht. Das hier dargestellte Ventil bestehend aus einem Ventilsitz am Ventilgehäuse 1 entsprechend der inneren Oberfläche 7 des Ventilgehäuses 1 und der damit zusammenwirkenden inneren Oberfläche 8 des Ventiltellers 4 und erzeugt beim Öffnen einen Kegelstrahl. Dieser sollte möglichst gleichmäßig und nicht durch Verbrennungsrückstände, die sich an der äußeren Oberfläche des Injektors angesetzt haben, zerrissen sein. Die Ventilnadel 2 ist an ihrem unteren Ende fest mit dem Ventilteller 4 ausgebildet bzw. verbunden. Der Ventilteller 4 besitzt die dem Brennraum zugewandte Oberfläche 6 und die dem Raum 9 zugewandte innere Oberfläche 8. Im geschlossenen Zustand des Injektors bilden die dem Brennraum zugewandten Oberflächen 5, 6 von Ventilkörper 1 und Ventilteller 4 eine gemeinsame glatte Oberfläche ohne Stufen und ohne Kanten. Diese Betrachtungen erfolgen jeweils bezogen auf die umlaufende Trennlinie 10 zwischen dem Ventilkörper 1 und dem Ventilteller 4, da an dieser Stelle Verbrennungsrückstände, die den Kegelstrahl beeinflussen könnten dauerhaft vermieden werden sollen. Die Oberflächen 5, 6 bilden gemeinsam eine gekrümmte Oberfläche. Mit Hilfe einer gekrümmten Oberfläche, wie sie in der Figur dargestellt ist, beispielsweise einer Kugelkalotte, erhält man somit zusätzlich Optimierungsparameter bezüglich der Strahlstabilität und der Vermeidung von Niederschlag von Verbrennungsrückständen an dieser Stelle. Über den Krümmungsradius wird nachhaltig positiver Einfluss genommen auf die Gasströmung in der Nähe des Kraftstoffaustrittes und damit auf die Strahlstabilität bei offenem Injektor während des Einspritztaktes. Gleiches gilt für die Niederschlagsneigung von Verbrennungsrückständen bei geschlossenem Injektor während des Verbrennungs- oder Auslasstaktes.
  • Selbstverständlich ist die Form der gemeinsamen Außenkontur von Ventilkörper 1 und Ventilteller 4 nicht auf Kugelkalotten beschränkt, sondern es kommen alle einfach herzustellenden Oberflächenformen in Frage, wie z.B. Paraboloide, Ellipsoide, Hyperboloide, wenn durch diese die Strahlstabilität und die Verkokungsneigung günstig beeinflusst werden können. Als Endabschluss an der Ventilspitze kann eine stumpfförmige Ausbildung vorgesehen sein.
  • Die innere Oberfläche 7 des Ventilkörpers 1 bildet zusammen mit der inneren Oberfläche 8 des Ventiltellers 4 den Austrittskanal 3 für den Kraftstoff. Der Austrittskanal 3 des Kraftstoffes muss so gestaltet sein, dass der durchströmte Querschnitt in Strömungsrichtung, also von innen nach außen, konstant oder abnehmend ist. Somit wird Kavitation im Kraftstoff sicher vermieden und die Dichtfläche oder Dichtlinie, die sich am äußeren Rand des Austrittskanals 3 befindet, wird nicht beschädigt. Die inneren Oberflächen 7, 8 von Ventilkörper 1 und Ventilteller 4 treffen sich in Strömungsrichtung unter einem flachen Winkel, d.h. entweder fast parallel oder in tangentialer Form bei geschlossenem Injektor. Die Tangentenrichtung, in der Figur der Verlauf der Oberfläche 8, bestimmt den Kegelstrahlwinkel α.
  • Durch diese Gestaltung werden trotz allem evtl. im Bereich der Trennlinie 10 abgelagerte Verbrennungsrückstände beim Öffnen des Ventils aufgebrochen und mit dem Hochdruckkraftstoffstrahl fortgerissen, so dass eine weitere Beeinflussung der Kegelstrahlgeometrie minimiert wird.

Claims (7)

  1. Einspritzventil, welches direkt in einen Brennraum einspritzt, bestehend aus:
    - einem hohlzylindrisch ausgebildeten Ventilgehäuse (1) mit einem endseitigen Ventilsitz,
    - einer innenliegenden koaxialen Ventilnadel (2) mit einem mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilteller (4),
    - einem zwischen Ventilgehäuse (1) und Ventilnadel (2) dargestellten Raum (9) zur Kraftstoffzuführung,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Oberflächen (5, 6) des Ventilgehäuses (1) und des Ventiltellers (4) im geschlossenen Zustand im Bereich der Trennlinie (10) eine gemeinsame glatte, stufen- und kantenlose und gleichzeitig gekrümmte Oberfläche aufweisen.
  2. Einspritzventil nach Anspruch 1, bei dem die gekrümmte Oberfläche des Einspritzventils dargestellt wird durch ein Paraboloid, ein Hyperboloid oder ein Ellipsoid, insbesondere eine Kugelkalotte.
  3. Einspritzventil nach Anspruch 2, bei dem das vordere Ende des Einspritzventils stumpfförmig ausgebildet ist, wie mit einem Paraboloidstumpf, einem Hyperboloidstumpf, einem Ellipsoidstumpf oder einem Kugelkalottenstumpf.
  4. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein oder mehrere Krümmungsradien der Oberflächenstruktur der Spitze des Einspritzventils kleiner als der Radius des Ventilgehäuses (1) sind.
  5. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Raum (9) zur Zuführung von Kraftstoff in einen Austrittskanal (3) übergeht, der begrenzt ist durch die innere Oberfläche (7) des Ventilkörpers (1) und die innere Oberfläche (8) des Ventiltellers (4).
  6. Einspritzventil nach Anspruch 5, bei dem der Austrittskanal (3) derart gestaltet ist, dass der vom Kraftstoff durchströmte Querschnitt in Strömungsrichtung konstant ist oder abnimmt.
  7. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein an der Trennlinie (10) bei geöffnetem Ventil austretender Kegelstrahl die Tangente an die dem Brennraum zugewandten Oberflächen (5, 6) von Ventilkörper (1) und Ventilteller (4) senkrecht oder nahezu senkrecht im Winkel von ca. 90° ± 20° schneidet.
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